2025年大學(xué)《智能體育工程》專業(yè)題庫——冬季運動中的智能裝備設(shè)計考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項的字母填在括號內(nèi)）1.在設(shè)計用于極寒環(huán)境的智能運動裝備時，以下哪項技術(shù)選擇不是首要考慮因素？（）A.低溫環(huán)境下的材料性能穩(wěn)定性B.裝備的防水防雪能力C.傳感器在低溫下的零點漂移D.裝備外觀的時尚美觀度2.為滑雪運動員設(shè)計智能頭盔，若需實時監(jiān)測頭部加速度并判斷是否發(fā)生嚴(yán)重碰撞，最關(guān)鍵的傳感器類型是？（）A.溫度傳感器B.氣壓傳感器C.加速度傳感器D.光照傳感器3.以下哪種通信技術(shù)更適用于需要低功耗、長距離傳輸、且對實時性要求不高的智能滑雪服與手機之間的數(shù)據(jù)交互？（）A.藍(lán)牙5.0B.Wi-Fi6C.NB-IoTD.Zigbee4.智能運動裝備中使用的嵌入式系統(tǒng)，若要求在運動過程中長時間穩(wěn)定工作，以下哪項設(shè)計原則最為重要？（）A.高運算處理速度B.低功耗設(shè)計C.小型化設(shè)計D.高成本控制5.在智能雪板設(shè)計中，通過傳感器采集的雪板torsion（扭轉(zhuǎn)）數(shù)據(jù)，主要應(yīng)用于分析？（）A.運動員的心率變化B.雪板與雪地的摩擦力C.運動員的瞬時速度D.雪板結(jié)構(gòu)的受力情況6.對于需要監(jiān)測呼吸頻率和血氧飽和度的智能運動面罩，其核心傳感技術(shù)通常涉及？（）A.壓力感應(yīng)和超聲波測距B.生物電信號和光學(xué)傳感C.溫度和濕度傳感D.加速度和陀螺儀7.設(shè)計智能運動裝備時，考慮人機工程學(xué)主要為了？（）A.提升裝備的制造成本B.增加裝備的科技含量C.確保裝備佩戴舒適、操作便捷、符合人體工學(xué)原理D.增加裝備的防水等級8.若智能滑雪服集成了加熱功能，其控制系統(tǒng)需要考慮的關(guān)鍵因素不包括？（）A.加熱絲的均勻分布B.電池的續(xù)航能力C.體溫的實時監(jiān)測與反饋調(diào)節(jié)D.裝備的RGB燈光效果9.在智能運動裝備的數(shù)據(jù)處理中，將采集到的原始傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有意義的運動參數(shù)（如速度、距離、心率區(qū)間）的過程，屬于？（）A.數(shù)據(jù)采集階段B.數(shù)據(jù)傳輸階段C.數(shù)據(jù)存儲階段D.數(shù)據(jù)分析處理階段10.針對高山滑雪運動設(shè)計智能裝備時，除了性能和功能外，安全性與可靠性設(shè)計應(yīng)優(yōu)先考慮哪些因素？（）A.產(chǎn)品的市場營銷策略B.裝備的制造成本和利潤空間C.裝備在極端天氣和復(fù)雜地形下的穩(wěn)定性和故障容忍度D.裝備的時尚外觀和品牌形象二、填空題（每空1分，共15分。請將答案填在橫線上）1.智能運動裝備的數(shù)據(jù)傳輸方式通常包括有線傳輸和__________傳輸。2.用于監(jiān)測運動員肌電信號的傳感器通常稱為__________。3.智能運動頭盔中的碰撞檢測系統(tǒng)，其報警閾值設(shè)定需要綜合考慮運動員的體重和__________。4.在設(shè)計低功耗可穿戴智能設(shè)備時，除了選用低功耗芯片外，通常還會采用__________技術(shù)來延長電池壽命。5.智能雪板通過內(nèi)置傳感器和__________算法，可以實現(xiàn)滑雪姿態(tài)的實時分析和指導(dǎo)。6.評估智能運動裝備性能的重要指標(biāo)之一是__________，即裝備在規(guī)定條件下完成特定功能的能力。7.為確保智能運動裝備的數(shù)據(jù)安全，傳輸過程中常采用__________等加密手段。8.智能運動服裝的溫控系統(tǒng)通常采用__________（如電熱絲）作為發(fā)熱元件。9.用戶界面（UI）和用戶體驗（UX）設(shè)計對于智能運動裝備的__________至關(guān)重要。10.冬季運動智能裝備設(shè)計需要特別關(guān)注材料的__________性能，以適應(yīng)低溫環(huán)境。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述在設(shè)計用于高山滑雪的智能頭盔時，需要重點考慮的至少三個關(guān)鍵性能指標(biāo)。2.解釋什么是可穿戴智能設(shè)備，并列舉至少三種在冬季運動中有應(yīng)用前景的可穿戴智能裝備類型。3.為什么智能運動裝備的電池設(shè)計需要特別關(guān)注能量密度和放電速率這兩個參數(shù)？4.在智能滑雪服的設(shè)計中，集成環(huán)境傳感器（如溫度、濕度、氣壓）相比僅集成生理傳感器（如心率、GPS），有哪些潛在的優(yōu)勢？四、計算題（共10分）假設(shè)某款智能滑雪杖內(nèi)置了一個三軸加速度傳感器，在滑雪過程中測得某一時刻的加速度數(shù)據(jù)如下（單位：m/s2）：Ax=2.5,Ay=-0.8,Az=-9.8。請計算該時刻滑雪杖的合加速度大小，并簡要說明Az的物理意義。五、設(shè)計題（共25分）請為單板滑雪運動員設(shè)計一個智能手套的概念方案。該方案需包含以下內(nèi)容：1.說明該手套需要監(jiān)測的核心運動數(shù)據(jù)或生理信號（至少兩項）。2.針對所監(jiān)測的數(shù)據(jù)，提出相應(yīng)的傳感器選型方案，并簡要說明理由。3.簡述手套內(nèi)部或配套的微型處理單元（MCU）需要實現(xiàn)的核心功能（如數(shù)據(jù)處理、存儲、無線傳輸?shù)龋?.描述該手套的用戶界面（UI）或用戶交互（UX）的主要方式，以及如何將監(jiān)測數(shù)據(jù)以直觀、有用的形式呈現(xiàn)給運動員或教練。5.考慮至少一項人機工程學(xué)設(shè)計要點，以提高手套的佩戴舒適度和運動適應(yīng)性。試卷答案一、選擇題1.D解析思路：在極寒環(huán)境下設(shè)計智能運動裝備，首要考慮的是裝備的功能性、可靠性和安全性，如材料性能、防水防雪能力、傳感器工作穩(wěn)定性等，以確保運動員的安全和裝備的正常運行。外觀的時尚美觀度雖然也是產(chǎn)品設(shè)計的一部分，但遠(yuǎn)非首要考慮因素。2.C解析思路：頭盔監(jiān)測頭部碰撞，核心是檢測碰撞發(fā)生的強度和方向，這需要測量加速度的變化。加速度傳感器能夠?qū)崟r捕捉頭部的加速度變化，當(dāng)加速度超過預(yù)設(shè)閾值時，可判斷發(fā)生碰撞。溫度、氣壓、光照傳感器與碰撞檢測無直接關(guān)系。3.C解析思路：NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）技術(shù)具有低功耗、廣覆蓋、大連接的特點，非常適合需要長時間工作、傳輸數(shù)據(jù)量不大但距離可能較遠(yuǎn)的應(yīng)用場景，如智能滑雪服與手機的數(shù)據(jù)交互。藍(lán)牙適合短距離交互，Wi-Fi速度高但功耗大、覆蓋范圍有限，Zigbee適合局域網(wǎng)低速率應(yīng)用。4.B解析思路：智能運動裝備通常需要在運動過程中長時間運行，對電池續(xù)航能力要求高。因此，低功耗設(shè)計是嵌入式系統(tǒng)的核心原則之一，直接關(guān)系到裝備的實際使用時間和用戶體驗。高運算速度、小型化、低成本都是重要考慮因素，但低功耗在長時間工作場景下最為關(guān)鍵。5.D解析思路：雪板torsion（扭轉(zhuǎn)）數(shù)據(jù)反映了雪板在受力時的形變和能量傳遞特性，直接關(guān)聯(lián)到滑雪者的技術(shù)動作和雪板本身的性能。通過分析扭轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，可以評估雪板結(jié)構(gòu)受力情況，并為滑雪技術(shù)改進(jìn)提供依據(jù)。心率、摩擦力、速度是其他相關(guān)但不同的物理量。6.B解析思路：監(jiān)測呼吸頻率和血氧飽和度是生理監(jiān)測功能，這需要使用能夠感知生物電信號（如ECG）或通過光學(xué)原理（如PPG，光電容積脈搏波描記法）檢測血氧和心率的技術(shù)。7.C解析思路：人機工程學(xué)關(guān)注人與機器（裝備）之間的相互作用，旨在設(shè)計出符合人體生理、心理特點，使用舒適、高效、安全的裝備。這對于提升用戶體驗、防止運動損傷至關(guān)重要。8.D解析思路：設(shè)計具有加熱功能的滑雪服，需要關(guān)注加熱元件的分布（確保全身均勻受熱）、電池續(xù)航（保證加熱時間）、體溫監(jiān)測與反饋調(diào)節(jié)（實現(xiàn)智能控溫）以及材料安全性等。RGB燈光效果屬于不必要的附加功能，與核心功能無關(guān)。9.D解析思路：數(shù)據(jù)采集是將傳感器獲取的原始信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字或模擬數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)傳輸是將數(shù)據(jù)從采集點送到處理點；數(shù)據(jù)存儲是保存數(shù)據(jù)以備后續(xù)使用。數(shù)據(jù)分析處理階段才是對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、轉(zhuǎn)換、計算、建模等操作，最終提取出有意義信息的過程。10.A解析思路：高山滑雪環(huán)境復(fù)雜多變，裝備的安全性與可靠性意味著在極端天氣（大風(fēng)、低溫、雨雪）、復(fù)雜地形（陡坡、冰面、樹林）下，裝備必須能穩(wěn)定工作，具備一定的故障容忍度，并能保障運動員安全。市場營銷策略、成本利潤、時尚外觀與產(chǎn)品的安全可靠性無直接關(guān)系。二、填空題1.無線解析思路：智能運動裝備通常需要便攜和靈活性，無線傳輸（如藍(lán)牙、Wi-Fi、蜂窩網(wǎng)絡(luò)等）比有線傳輸更符合這一需求。2.肌電傳感器(EMGSensor)解析思路：肌電信號是肌肉活動時產(chǎn)生的生物電信號，用于監(jiān)測肌肉活動狀態(tài)和力量輸出的傳感器通常稱為肌電傳感器。3.速度解析思路：碰撞的嚴(yán)重程度與沖擊速度密切相關(guān)。體重是影響沖擊力的因素之一，但速度是決定碰撞能量和危害程度更直接的因素。報警閾值需綜合考慮體重和沖擊速度。4.低功耗待機(Low-PowerStandby)/睡眠模式(SleepMode)解析思路：延長電池壽命的關(guān)鍵在于減少不必要的能量消耗。低功耗待機或睡眠模式是讓電子設(shè)備在非工作或低活動狀態(tài)下進(jìn)入休眠狀態(tài)，顯著降低功耗的技術(shù)。5.機器學(xué)習(xí)/數(shù)據(jù)分析/運動學(xué)分析解析思路：將原始傳感器數(shù)據(jù)（如加速度、角度）轉(zhuǎn)換為有意義的滑雪姿態(tài)（如轉(zhuǎn)彎半徑、傾斜角度、跳躍高度等）需要復(fù)雜的算法，機器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)分析是常用的方法。6.可靠性(Reliability)解析思路：可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成其規(guī)定功能的能力。對于智能運動裝備，可靠性意味著其在各種預(yù)期使用環(huán)境下都能穩(wěn)定、可靠地工作。7.加密(Encryption)解析思路：為了防止數(shù)據(jù)在傳輸過程中被竊取或篡改，需要采用加密技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，只有授權(quán)接收方才能解碼，從而保障數(shù)據(jù)安全。8.電熱絲(HeatingWire)/PTC加熱元件(PTCHeatingElement)解析思路：將電能轉(zhuǎn)化為熱能的元件，電熱絲是最常見的形式之一。PTC（正溫度系數(shù)）加熱元件也是一種常用的自控溫加熱元件，在智能服裝中也有應(yīng)用。9.用戶體驗(UserExperience)/可用性(Usability)解析思路：用戶界面和用戶體驗設(shè)計直接影響用戶與裝備交互的舒適度、便捷度和滿意度。好的UI/UX設(shè)計能讓裝備更容易上手、更直觀地獲取信息，從而提升整體使用感受。10.低溫耐受性/抗寒性(Low-temperatureTolerance/ColdResistance)解析思路：冬季運動環(huán)境溫度極低，智能裝備所使用的材料必須能在這種低溫下保持其物理性能（如柔韌性、強度、導(dǎo)電性等），不發(fā)生脆化、失效等問題，即需要良好的低溫耐受性或抗寒性。三、簡答題1.簡述在設(shè)計用于高山滑雪的智能頭盔時，需要重點考慮的至少三個關(guān)鍵性能指標(biāo)。*碰撞防護(hù)性能：需要符合或超越相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)（如CE,ANSI/HPS），采用有效的緩沖材料（如EPS,EPP）和結(jié)構(gòu)設(shè)計，以吸收和分散碰撞能量，保護(hù)頭部免受傷害。通常通過特定的碰撞測試來評估。*通風(fēng)透氣性：高山滑雪環(huán)境溫度低，且運動會產(chǎn)生大量熱量，頭盔需要具備良好的通風(fēng)設(shè)計（如散熱孔、導(dǎo)流槽），以排出濕熱空氣，保持頭部干爽舒適，防止霧氣產(chǎn)生。*視野清晰度與防護(hù)：頭盔面罩需要采用高透光率、抗霧、抗沖擊的護(hù)目鏡片，確保滑雪者視野清晰。同時，面罩需要覆蓋范圍足夠，并能有效防護(hù)風(fēng)雪、冰屑的撞擊。2.解釋什么是可穿戴智能設(shè)備，并列舉至少三種在冬季運動中有應(yīng)用前景的可穿戴智能裝備類型。*解釋：可穿戴智能設(shè)備是指能夠穿戴在人體身上，集成計算、通信、傳感等功能，能夠持續(xù)監(jiān)測用戶的生理數(shù)據(jù)、運動狀態(tài)、環(huán)境信息，并提供反饋或交互的智能設(shè)備。*裝備類型：*智能運動手表/手環(huán)：監(jiān)測心率、步數(shù)、睡眠、GPS定位，并可顯示來電信息、消息通知等。*智能滑雪服：集成體溫傳感器、運動傳感器（速度、加速度、姿態(tài)）、加熱功能、GPS模塊等，實時監(jiān)測運動狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)。*智能運動頭盔：集成碰撞檢測傳感器、GPS、心率監(jiān)測器、通訊模塊等，增強安全性和運動表現(xiàn)分析。3.為什么智能運動裝備的電池設(shè)計需要特別關(guān)注能量密度和放電速率這兩個參數(shù)？*能量密度：指單位體積或單位重量的電池所能儲存的能量。智能運動裝備通常體積小、重量輕（如手環(huán)、服裝），且需要在運動過程中長時間工作。高能量密度意味著在有限的體積和重量下，電池能提供更長的續(xù)航時間，從而滿足裝備的持續(xù)使用需求。*放電速率：指電池對外供電的能力，即單位時間內(nèi)能提供的電流大小。運動過程中，某些功能（如GPS定位、實時高強度數(shù)據(jù)采集、加熱功能）可能需要瞬間輸出較大的電流。電池的放電速率需要足夠高，才能滿足這些峰值功率需求，確保功能穩(wěn)定可靠，避免因供電不足導(dǎo)致性能下降或設(shè)備關(guān)機。4.在智能滑雪服的設(shè)計中，集成環(huán)境傳感器（如溫度、濕度、氣壓）相比僅集成生理傳感器（如心率、GPS），有哪些潛在的優(yōu)勢？*提供更全面的環(huán)境適應(yīng)信息：溫度和濕度傳感器可以幫助運動員了解體感溫度，判斷是否需要調(diào)整衣物或啟動加熱功能，從而更好地適應(yīng)寒冷潮濕的環(huán)境，預(yù)防失溫或過度出汗。氣壓傳感器可用于判斷天氣變化趨勢（如氣壓下降可能預(yù)示著天氣變差），輔助制定運動計劃。*優(yōu)化裝備功能（如加熱系統(tǒng)）：環(huán)境溫度數(shù)據(jù)可以用于智能加熱系統(tǒng)的閉環(huán)控制，根據(jù)實際環(huán)境溫度和運動員體溫反饋，更精確地調(diào)節(jié)加熱功率，實現(xiàn)節(jié)能和舒適的雙重目標(biāo)。*增強運動表現(xiàn)分析：結(jié)合環(huán)境因素（如溫度、風(fēng)力）分析運動數(shù)據(jù)（如心率、速度），可以更準(zhǔn)確地評估運動員在不同環(huán)境下的生理負(fù)荷和運動效率，為訓(xùn)練提供更科學(xué)的依據(jù)。四、計算題合加速度大小=sqrt(Ax^2+Ay^2+Az^2)=sqrt(2.5^2+(-0.8)^2+(-9.8)^2)=sqrt(6.25+0.64+96.04)=sqrt(103.93)≈10.19m/s2Az的物理意義：Az=-9.8m/s2代表在滑雪杖處于該時刻的坐標(biāo)系中，沿垂直軸（通常假設(shè)向下為負(fù)Z軸）的重力加速度分量。這個值非常接近標(biāo)準(zhǔn)重力加速度（約9.8m/s2），說明此時滑雪杖的運動狀態(tài)（可能處于自由下落或近似水平運動，且Z軸正方向指向天空）主要受重力影響。五、設(shè)計題請為單板滑雪運動員設(shè)計一個智能手套的概念方案。1.需要監(jiān)測的核心運動數(shù)據(jù)或生理信號：*手腕/前臂的角速度（旋轉(zhuǎn)速度）：用于分析抓板力度變化、旋轉(zhuǎn)動作（旋轉(zhuǎn)、平地花式）的幅度和速度。*手指彎曲度/握力：反映抓板穩(wěn)定性、力量輸出，可用于評估動作質(zhì)量或疲勞程度。2.傳感器選型方案及理由：*角速度傳感器（三軸陀螺儀）：用于測量手腕和前臂的旋轉(zhuǎn)運動。三軸陀螺儀可以捕捉繞X,Y,Z軸的旋轉(zhuǎn)，提供全面的旋轉(zhuǎn)信息。理由：單板滑雪中的旋轉(zhuǎn)動作（Spins）和非旋轉(zhuǎn)動作（如卡板、調(diào)整方向）都需要精確的旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)來分析。*彎曲傳感器（柔性彎曲傳感器/肌腱傳感器）：用于測量手指（特別是拇指和食指）的彎曲程度，間接反映握力大小。理由：抓板的穩(wěn)定性直接依賴于手部握力，握力變化與動作控制和雪板響應(yīng)密切相關(guān)。柔性傳感器可以貼合手部曲線，方便佩戴。3.微型處理單元（MCU）的核心功能：*數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理：實時讀取陀螺儀和彎曲傳感器的數(shù)據(jù)，進(jìn)行去噪、濾波等預(yù)處理。*運動算法分析：內(nèi)置算法根據(jù)陀螺儀數(shù)據(jù)計算手腕角速度