2025年大學《智能體育工程》專業(yè)題庫——智能健身器材設(shè)計與研發(fā)考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項字母填入括號內(nèi)）1.在智能健身器材設(shè)計中，進行用戶需求分析的首要目的是（）。A.確定硬件成本B.選擇合適的傳感器C.明確產(chǎn)品功能和技術(shù)指標D.規(guī)劃市場推廣策略2.以下哪種傳感器技術(shù)最適合用于實時監(jiān)測用戶的運動姿態(tài)和關(guān)節(jié)角度？（）A.生物電信號傳感器B.力/壓力傳感器C.姿態(tài)/慣性測量單元（IMU）D.溫度傳感器3.智能健身器材中，用于控制執(zhí)行器（如電機）運動精度和響應(yīng)速度的關(guān)鍵因素是（）。A.傳感器采樣頻率B.嵌入式系統(tǒng)處理器性能C.用戶界面設(shè)計美觀度D.電池續(xù)航能力4.在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中，通常使用C或C++語言的主要原因之一是（）。A.開發(fā)效率高，代碼可移植性強B.良好的圖形用戶界面支持C.適合進行復(fù)雜的科學計算D.直接訪問操作系統(tǒng)內(nèi)核5.為了提高智能健身器材的數(shù)據(jù)處理效率和減少誤報，常用的傳感器數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)包括（）。A.數(shù)據(jù)壓縮和加密B.濾波去噪和特征提取C.無線傳輸和云同步D.用戶身份認證和授權(quán)6.人機工程學在智能健身器材設(shè)計中的核心關(guān)注點在于（）。A.器材的外觀設(shè)計和色彩搭配B.確保器材的安全性、舒適性和易用性C.提高器材的機械強度和耐用性D.器材的便攜性和可折疊性7.智能健身器材實現(xiàn)遠程監(jiān)控和個性化指導功能，主要依賴于（）。A.高性能的執(zhí)行器B.先進的傳感器技術(shù)C.無線通信技術(shù)和云平臺服務(wù)D.復(fù)雜的嵌入式操作系統(tǒng)8.評估一款智能健身器材性能好壞的重要指標之一是（）。A.器材的售價高低B.數(shù)據(jù)顯示的豐富程度C.運動數(shù)據(jù)的準確性和實時性D.用戶的購買意愿9.在智能健身器材的設(shè)計研發(fā)過程中，進行原型制作的主要目的是（）。A.展示產(chǎn)品的最終外觀B.驗證設(shè)計方案的可行性C.測試產(chǎn)品的市場接受度D.降低生產(chǎn)成本10.對于需要長時間連續(xù)工作的智能健身器材，設(shè)計時需要重點考慮的關(guān)鍵因素是（）。A.運動模式的趣味性B.電池容量和充放電效率C.數(shù)據(jù)存儲容量D.操作界面的復(fù)雜性二、填空題（每空1分，共15分。請將答案填入橫線處）1.智能健身器材在進行功能設(shè)計時，需要遵循______原則，確保器材能夠有效滿足用戶的核心健身需求。2.選用傳感器時，需要綜合考慮其______、靈敏度、量程、功耗和成本等因素。3.嵌入式系統(tǒng)是智能健身器材的“大腦”，通常由微處理器/微控制器、存儲器、______以及外圍接口等組成。4.運動模式識別算法的目標是從傳感器采集的時序數(shù)據(jù)中，自動識別用戶的______、速度和強度等運動特征。5.為了保障用戶在運動過程中的安全，智能健身器材必須集成完善的安全保護機制，如______、過載保護和緊急停止功能。6.智能健身器材通過內(nèi)置或外接的______，可以采集用戶的生理信號數(shù)據(jù)，如心率、呼吸頻率和血氧飽和度等。7.現(xiàn)代智能健身器材越來越注重與其他智能設(shè)備的互聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和協(xié)同工作，這通常通過______技術(shù)實現(xiàn)。8.進行智能健身器材的可靠性設(shè)計時，需要考慮其平均無故障時間（MTBF）和______等指標。9.用戶界面（UI）和用戶體驗（UX）設(shè)計直接影響用戶使用智能健身器材的______和滿意度。10.智能健身器材的研發(fā)周期不僅包括硬件和軟件的設(shè)計，還包括嚴格的______、性能測試和用戶驗證階段。三、簡答題（每題5分，共20分。請簡要回答下列問題）1.簡述在智能健身器材設(shè)計中，進行市場調(diào)研的主要目的和需要關(guān)注的關(guān)鍵信息。2.解釋什么是人機交互（HCI），并舉例說明其在智能健身器材設(shè)計中的具體體現(xiàn)。3.簡述慣性測量單元（IMU）在智能健身器材中可能的應(yīng)用場景及其作用。4.為什么說數(shù)據(jù)安全與隱私保護是智能健身器材設(shè)計中不可忽視的重要方面？四、計算題（共10分。請根據(jù)要求進行計算）假設(shè)某款智能跑步機配備了用于監(jiān)測用戶步態(tài)的慣性測量單元（IMU），其輸出的加速度數(shù)據(jù)（假設(shè)已進行初步濾波）如下表所示（單位：m/s2），時間間隔為0.1秒。請根據(jù)這些數(shù)據(jù)，估算用戶在t=0.5秒和t=1.0秒時的瞬時速度（假設(shè)初速度為0），并簡要說明估算方法或原理。|時間(t/s)|X軸加速度|Y軸加速度|Z軸加速度||:---------|:--------|:--------|:--------||0.0|0.0|0.0|-9.8||0.1|0.2|0.0|-9.6||0.2|0.6|0.1|-9.2||0.3|1.0|0.3|-8.5||0.4|1.2|0.5|-7.8||0.5|1.0|0.7|-7.0||0.6|0.8|0.8|-6.2||...|...|...|...||1.0|0.4|0.9|-4.9|五、設(shè)計分析題（共25分。請根據(jù)要求進行分析和設(shè)計）某公司計劃開發(fā)一款針對家庭用戶的智能啞鈴，要求具備以下功能：1.能夠自動識別啞鈴的重量（無需外掛配重塊）。2.能夠?qū)崟r監(jiān)測用戶舉啞鈴的動作軌跡和速度。3.能夠通過手機App提供動作指導、實時反饋（如動作是否標準）和訓練數(shù)據(jù)記錄。請針對上述需求，進行初步的設(shè)計分析：1.列出實現(xiàn)該智能啞鈴所需的關(guān)鍵技術(shù)或傳感器類型，并簡要說明其作用。2.描述啞鈴重量識別的基本原理，并說明可能遇到的挑戰(zhàn)。3.描述動作軌跡和速度監(jiān)測的基本實現(xiàn)思路。4.分析該智能啞鈴在設(shè)計和使用過程中可能需要考慮的人機工程學因素。5.針對用戶通過手機App獲取反饋和數(shù)據(jù)的環(huán)節(jié)，提出至少兩點提升用戶體驗的建議。試卷答案一、選擇題1.C解析：用戶需求分析的核心是明確產(chǎn)品應(yīng)該具備哪些功能和技術(shù)指標，以解決用戶的實際問題或滿足其健身需求。2.C解析：IMU（姿態(tài)/慣性測量單元）包含加速度計和陀螺儀等，能夠精確測量物體的姿態(tài)變化和運動狀態(tài)，非常適合用于監(jiān)測運動姿態(tài)和關(guān)節(jié)角度。3.B解析：智能健身器材的控制效果（精度、響應(yīng)速度）很大程度上取決于嵌入式處理器的性能，它負責運行控制算法和實時處理數(shù)據(jù)。4.A解析：C/C++語言接近底層，效率高，可移植性好，非常適合嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，特別是對資源消耗和實時性要求高的場景。5.B解析：濾波去噪可以提高信號質(zhì)量，特征提取可以提取關(guān)鍵信息用于后續(xù)分析，這兩者是提高數(shù)據(jù)處理效率和減少誤報的常用預(yù)處理技術(shù)。6.B解析：人機工程學關(guān)注人與產(chǎn)品的相互作用，核心是設(shè)計出安全、舒適、易用的產(chǎn)品，提升用戶的使用體驗。7.C解析：遠程監(jiān)控和個性化指導依賴于設(shè)備通過無線通信技術(shù)（如Wi-Fi、藍牙、5G）將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_，再由平臺或App進行處理和反饋。8.C解析：運動數(shù)據(jù)的準確性（如心率、步頻、步幅等）和實時性是衡量智能健身器材性能的關(guān)鍵指標，直接影響其指導效果和科學性。9.B解析：原型制作的主要目的是將抽象的設(shè)計方案轉(zhuǎn)化為可觸摸、可交互的實體或虛擬模型，以便盡早驗證設(shè)計的可行性。10.B解析：電池容量和充放電效率直接決定了設(shè)備的續(xù)航能力，對于需要長時間連續(xù)工作的設(shè)備（如智能手環(huán)、睡眠監(jiān)測儀等）至關(guān)重要。二、填空題1.用戶中心2.特性3.外圍設(shè)備4.類型5.過載保護6.生理信號傳感器7.物聯(lián)網(wǎng)（IoT）8.平均故障間隔時間（MTBF）9.便捷性10.系統(tǒng)測試三、簡答題1.市場調(diào)研的主要目的是了解目標用戶的需求、痛點、偏好以及市場現(xiàn)有產(chǎn)品的優(yōu)缺點，從而為智能健身器材的產(chǎn)品定位、功能設(shè)計、技術(shù)選型和市場策略提供數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)。需要關(guān)注的關(guān)鍵信息包括：目標用戶群體畫像、用戶健身習慣與需求、競爭對手產(chǎn)品分析、市場規(guī)模與增長趨勢、技術(shù)發(fā)展趨勢、潛在的政策法規(guī)影響等。2.人機交互（HCI）是研究人與計算機（或智能設(shè)備）之間交互的設(shè)計、評估和實現(xiàn)領(lǐng)域的學科。在智能健身器材設(shè)計中，HCI的具體體現(xiàn)包括：設(shè)計直觀易用的操作界面（按鈕、觸摸屏、語音控制等）、提供清晰的反饋信息（燈光、聲音、震動、屏幕顯示）、確保操作流程符合用戶習慣、關(guān)注不同用戶群體的使用便利性（如老年人、殘障人士）等，最終目標是讓用戶能夠輕松、高效、舒適地使用器材。3.IMU在智能健身器材中可能的應(yīng)用場景包括：用于智能跑步機、劃船機等有軌跡的運動器材，監(jiān)測用戶動作的姿態(tài)和角度，輔助判斷動作是否標準；用于智能平衡車、健身車等，提供姿態(tài)穩(wěn)定輔助或步態(tài)分析功能；用于可穿戴式智能健身設(shè)備（如臂環(huán)、腰帶），監(jiān)測用戶的運動狀態(tài)和身體姿態(tài)。其作用是通過測量線性加速度和角速度，計算和估計設(shè)備的姿態(tài)（如俯仰角、滾轉(zhuǎn)角）、角速度、甚至位置變化，從而實現(xiàn)運動監(jiān)測、姿態(tài)控制、輔助導航或生物特征識別等功能。4.智能健身器材通常會收集用戶的個人信息（如身份信息、生理數(shù)據(jù)、運動數(shù)據(jù)、生活習慣等），這些數(shù)據(jù)一旦泄露或被濫用，可能侵犯用戶隱私，甚至對用戶安全造成威脅。同時，智能健身器材的運行數(shù)據(jù)也可能被用于商業(yè)目的，引發(fā)用戶對數(shù)據(jù)所有權(quán)和商業(yè)倫理的擔憂。因此，在設(shè)計和研發(fā)過程中，必須將數(shù)據(jù)安全與隱私保護作為核心考量，采取加密傳輸、本地處理、權(quán)限控制、合規(guī)存儲等措施，保障用戶數(shù)據(jù)的安全和隱私權(quán)。四、計算題估算方法或原理：在恒定加速度下，速度是加速度對時間的積分。由于時間間隔較?。?.1秒），可以近似認為加速度在很小的時間段內(nèi)保持不變。因此，可以采用累加的方式估算速度：v(t)≈v(t-Δt)+a(t)*Δt。其中，Δt為時間間隔（0.1秒），a(t)為t時刻的合加速度（sqrt(X^2+Y^2+Z^2)），Z軸加速度需要轉(zhuǎn)換為正方向（假設(shè)向上為正，g=9.8m/s2）。計算過程：1.將Z軸加速度轉(zhuǎn)換為正加速度：Z'=max(0,-Z-g)。2.計算合加速度大?。篈=sqrt(X^2+Y^2+Z'^2)。3.速度估算：v(t)≈v(t-Δt)+A*Δt。4.初始速度v(0)=0。估算結(jié)果：v(0.5s)≈v(0.4s)+sqrt(1.0^2+0.7^2+(0-(-7.8-9.8))^2)*0.1≈0.8+sqrt(1+0.49+217.64)*0.1≈0.8+14.8*0.1=0.8+1.48=2.28m/s（近似值）v(1.0s)≈v(0.9s)+sqrt(0.4^2+0.9^2+(0-(-4.9-9.8))^2)*0.1≈1.2+sqrt(0.16+0.81+202.25)*0.1≈1.2+14.4*0.1=1.2+1.44=2.64m/s（近似值）注意：此處的計算是基于提供的加速度數(shù)據(jù)進行的數(shù)學估算，實際應(yīng)用中可能需要更復(fù)雜的濾波和積分算法。五、設(shè)計分析題1.關(guān)鍵技術(shù)或傳感器類型及其作用：*重量識別傳感器：如高精度力傳感器陣列、電磁傳感技術(shù)或應(yīng)變片等。作用：非接觸式或接觸式地測量啞鈴在舉起過程中的實時重量變化，從而估算或直接識別啞鈴的總重量。*動作捕捉/姿態(tài)傳感器：如慣性測量單元（IMU）、可穿戴攝像頭或外部結(jié)構(gòu)光傳感器。作用：捕捉用戶舉啞鈴時啞鈴的運動軌跡、速度、加速度以及用戶自身的姿態(tài)和關(guān)節(jié)角度，用于分析動作規(guī)范性。*運動處理與識別算法：基于機器學習或傳統(tǒng)信號處理的方法。作用：處理傳感器數(shù)據(jù)，識別用戶的運動模式（如彎舉、推舉、下降），計算速度、功率等運動參數(shù)。*無線通信模塊：如藍牙、Wi-Fi。作用：將采集到的運動數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息傳輸?shù)接脩舻氖謾CApp或云端服務(wù)器。*嵌入式系統(tǒng)與處理器：如MCU或嵌入式PC。作用：作為設(shè)備的核心，負責控制傳感器采集、數(shù)據(jù)處理、算法運行、設(shè)備狀態(tài)管理和與App/云的通信。*用戶交互界面：如觸摸屏、LED指示燈、蜂鳴器。作用：提供用戶操作、狀態(tài)反饋和結(jié)果顯示的途徑。2.啞鈴重量識別原理及挑戰(zhàn)：*原理：主要基于物理原理。例如，使用力傳感器測量啞鈴對傳感器的壓力或拉力，通過校準曲線將力轉(zhuǎn)換為重量；或者利用電磁感應(yīng)原理，根據(jù)通過線圈的啞鈴鐵質(zhì)部分產(chǎn)生的感應(yīng)信號強度來推斷重量；或者通過應(yīng)變片測量懸臂梁受力變形，計算重量。也可以結(jié)合重心變化和運動特性進行估算。*挑戰(zhàn)：①環(huán)境適應(yīng)性：啞鈴表面可能不光滑、有涂層或沾染異物，影響傳感器（尤其是接觸式傳感器）的測量精度。②精度與范圍：需要在較大的重量范圍和精度內(nèi)保持一致性，對傳感器精度和校準要求高。③動態(tài)測量：在快速舉啞鈴過程中，需要傳感器具有快速響應(yīng)能力，并能準確測量瞬時力或變化量。④多啞鈴識別：如果支持多種重量啞鈴，如何快速準確識別當前使用的啞鈴重量是一個挑戰(zhàn)。⑤抗干擾：消除手部晃動、地面震動等外部干擾對測量結(jié)果的影響。3.動作軌跡和速度監(jiān)測思路：*使用啞鈴上或內(nèi)置的IMU，可以實時測量啞鈴的角速度和加速度，通過積分運算可以估算出啞鈴的位置和速度。多個IMU分布在啞鈴不同位置可以獲得更精確的姿態(tài)和軌跡。*使用可穿戴攝像頭（如佩戴在手腕或胸前），通過計算機視覺技術(shù)識別和追蹤啞鈴或用戶關(guān)鍵身體部位（如手腕、肘部）的位