获得撞击点时空信息的方法及其装置

申请号 CN201710016180.6 申请日 2017-01-10 公开(公告)号 CN106669114A 公开(公告)日 2017-05-17
申请人 悦物电子科技(上海)有限公司; 发明人 孟勤; 李珂; 张韫贇;
摘要 本 发明 基于 传感器 的识别技术提供了一种获得撞击点 时空 信息的方法及其装置,利用低成本低功耗的传感器技术,结合现有 算法 来获得球拍动作的空间轨迹,再通过计算短 时间窗 口内 加速 度和 角 加速度 变化程度来判断撞击点时刻及其对应的空间 位置 ,不增加 硬件 成本,且实现简单,确实解决现有基于传感器的识别技术仅能得知球拍的空间轨迹,缺乏手段精确确定击球点的时刻的技术问题。
权利要求

1.一种获得撞击点时空信息的方法,其用于测定球拍与球之间的撞击点,所述球拍上设有传感器;其特征在于,所述方法步骤包括:
步骤a、通过球拍上的传感器在挥拍过程中持续采集获取球拍动作的原始数据、采样点及其持续时段;
步骤b、基于原始数据,获得球拍动作的空间轨迹;
步骤c、从球拍动作的持续时段的开始时刻开始,滑动生成多个时间窗口I;
步骤d、对各时间窗口I进行计算,以分别获得所述时间窗口I的X轴、Y轴及Z轴的加速度变化程度ΔX、ΔY、ΔZ,以及X轴、Y轴及Z轴的加速度变化程度ΔωX、ΔωY、ΔωZ,并基于所述三轴加速度的变化程度ΔX、ΔY、ΔZ以及三轴角加速度的变化程度ΔωX、ΔωY、ΔωZ,通过融合算法计算出整体变化程度AI;
步骤e、对所有的整体变化程度AI取最大值AI,MAX,从所述最大值AI,MAX对应的时间窗口I内的采样点获得撞击点时刻;
步骤f、基于撞击点时刻,在球拍动作的空间轨迹中获得撞击点的空间位置
2.根据权利要求1所述的获得撞击点时空信息的方法,其特征在于:
在步骤c中,所述时间窗口I是基于每个采样点生成一个时间窗口I;其中,相邻时间窗口的起始时间间隔等同于传感器采样间隔。
3.根据权利要求1所述的获得撞击点时空信息的方法,其特征在于:
在步骤c中,所述时间窗口I是基于可配置的时间值来决定相邻时间窗口I的起始时间间隔。
4.根据权利要求1所述的获得撞击点时空信息的方法,其特征在于:
在所述步骤c中,所述时间窗口I的宽度可选择配置,但每一时间窗口I内包括至少两个采样点。
5.根据权利要求1所述的获得撞击点时空信息的方法,其特征在于:
在步骤d中,
所述X轴的加速度变化程度是依公式ΔX=(XMAX-XMIN)计算获得;其中,XMAX是所述时间窗口中X轴加速度的最大值,XMIN是所述时间窗口中X轴加速度的最小值;
所述Y轴的加速度变化程度是依公式ΔY=(YMAX-YMIN)计算获得;其中,YMAX是所述时间窗口中Y轴加速度的最大值,YMIN是所述时间窗口中Y轴加速度的最小值;
所述Z轴的加速度变化程度是依公式ΔZ=(ZMAX-ZMIN)计算获得;其中,ZMAX是所述时间窗口中Z轴加速度的最大值,ZMIN是所述时间窗口中Z轴加速度的最小值;
所述X轴的角加速度变化程度是依公式ΔωX=(ωXMAX-ωXMIN)计算获得;其中,ωXMAX是所述时间窗口中X轴角加速度的最大值,ωXMIN是所述时间窗口中X轴角加速度的最小值;
所述Y轴的角加速度变化程度是依公式ΔωY=(ωYMAX-ωYMIN)计算获得;其中,ωYMAX是所述时间窗口中Y轴角加速度的最大值,ωYMIN是所述时间窗口中Y轴角加速度的最小值;
所述Z轴的角加速度变化程度是依公式ΔωZ=(ωZMAX-ωZMIN)计算获得;其中,ωZMAX是所述时间窗口中Z轴角加速度的最大值,ωZMIN是所述时间窗口中Z轴角加速度的最小值。
6.根据权利要求1所述的获得撞击点时空信息的方法,其特征在于:
在步骤e中,将所述最大值AI,MAX对应的时间窗口I内的全部采样点视为撞击点时刻。
7.根据权利要求1或6所述的获得撞击点时空信息的方法,其特征在于:
在步骤e中,所述最佳撞击点时刻是基于最佳体育实践来决定所述采样窗口I内的那个采样点对应的时刻。
8.根据权利要求1所述的获得撞击点时空信息的方法,其特征在于:
在步骤e中,配置一个阈值,当最大值AI,MAX小于所述阈值,则判断所述球拍动作不存在撞击点。
9.根据权利要求1所述的获得撞击点时空信息的方法,其特征在于:
所述方法用于获得乒乓球、网球或羽毛球的球拍与球的撞击点时间信息。
10.一种实施如权利要求1至9中任一项所述获得撞击点时空信息的方法的装置;其特征在于,所述装置包括:
球拍,具有拍柄;
数据采集,设于所述拍柄,所述数据采集模块包括数据采集传感器及信息传输模块;所述数据采集传感器用以在球拍动作过程中采集球拍在三维空间中的三维加速度数据以及三维角加速度数据;
服务器,与所述数据采集模块通过所述信息传输模块连接并进行数据传输;
令所述数据采集模块通过所述数据采集传感器持续采集原始数据,并将所述原始数据发送到所述服务器进行计算以获得所述球拍的撞击点时空信息。

说明书全文

获得撞击点时空信息的方法及其装置

技术领域

[0001] 本发明涉及物联网及体育技术领域,具体来说涉及一种球拍类体育中撞击点时空信息的识别机制及其装置。

背景技术

[0002] 球拍类体育活动中普遍存在着球拍与球的撞击,例如乒乓球拍和乒乓球之间的撞击、羽毛球拍和羽毛球之间的撞击、网球拍与网球之间的撞击等等。这些体育活动随着其周边设备的不断扩充,分析球拍与球的撞击点在球拍轨迹中的空间位置及发生时刻越来越重要,例如专业选手和广大业余爱好者希望得到这些信息来分析击球动作,从而有针对性的改善和提高击球技巧。
[0003] 值得注意的是,目前已有一种基于高速摄像机拍摄球拍轨迹及其击球动作的基于图像视频识别技术,用以判断撞击点的空中位置及发生时刻,这个过程包含但不限于图像和视频处理技术。然而,基于图像识别的识别技术需要使用高速摄像机,而高速摄像机价格昂贵,携带不便,只适用于专业训练场景下,而且对硬件平台的专业性要求和处理能也很高,应用范围受限。
[0004] 还有一种基于传感器的识别技术,其利用传感器来收集球拍的加速度和加速度等原始数据,并基于原始数据测量挥拍过程中的运动轨迹。然而,相比于基于图像识别的识别技术,传感器的成本及应用范围虽然没有局限,但是仅能得知球拍的空间轨迹,缺乏手段精确确定击球点的时刻。

发明内容

[0005] 鉴于上述情况,本发明对基于传感器的识别技术进行改进,提供一种获得撞击点时空信息的方法及其装置,以识别撞击点的空间位置和发生时刻,解决现有基于传感器的识别技术仅能得知球拍的空间轨迹,缺乏手段精确确定击球点的时刻的技术问题。
[0006] 为实现上述目的,本发明采取的技术方案是提供一种获得撞击点时空信息的方法,其用于测定球拍与球之间的撞击点,所述球拍上设有传感器;其中,所述方法步骤包括:
[0007] 步骤a、通过球拍上的传感器在挥拍过程中持续采集获取球拍动作的原始数据、采样点及其持续时段;
[0008] 步骤b、基于原始数据,获得球拍动作的空间轨迹;
[0009] 步骤c、从球拍动作的持续时段的开始时刻开始,滑动生成多个时间窗口I;
[0010] 步骤d、对各时间窗口I进行计算,以分别获得所述时间窗口I的X轴、Y轴及Z轴的加速度变化程度ΔX、ΔY、ΔZ,以及X轴、Y轴及Z轴的角加速度变化程度ΔωX、ΔωY、ΔωZ,并基于所述三轴加速度的变化程度ΔX、ΔY、ΔZ以及三轴角加速度的变化程度ΔωX、ΔωY、ΔωZ,通过融合算法计算出整体变化程度AI;
[0011] 步骤e、对所有的整体变化程度AI取最大值AI,MAX,从所述最大值AI,MAX对应的时间窗口I内的采样点获得撞击点时刻;
[0012] 步骤f、基于撞击点时刻,在球拍动作的空间轨迹中获得撞击点的空间位置。
[0013] 本发明获得撞击点时空信息的方法的进一步改进在于,在步骤c中,所述时间窗口I是基于每个采样点生成一个时间窗口I;其中,相邻时间窗口的起始时间间隔等同于传感器采样间隔。
[0014] 本发明获得撞击点时空信息的方法的进一步改进在于,在步骤c中,所述时间窗口I是基于可配置的时间值来决定相邻时间窗口I的起始时间间隔。
[0015] 本发明获得撞击点时空信息的方法的进一步改进在于,在所述步骤c中,所述时间窗口I的宽度可选择配置,但每一时间窗口I内包括至少两个采样点。
[0016] 本发明获得撞击点时空信息的方法的进一步改进在于,在步骤d中,[0017] 所述X轴的加速度变化程度是依公式ΔX=(XMAX-XMIN)计算获得;其中,XMAX是所述时间窗口中X轴加速度的最大值,XMIN是所述时间窗口中X轴加速度的最小值;
[0018] 所述Y轴的加速度变化程度是依公式ΔY=(YMAX-YMIN)计算获得;其中,YMAX是所述时间窗口中Y轴加速度的最大值,YMIN是所述时间窗口中Y轴加速度的最小值;
[0019] 所述Z轴的加速度变化程度是依公式ΔZ=(ZMAX-ZMIN)计算获得;其中,ZMAX是所述时间窗口中Z轴加速度的最大值,ZMIN是所述时间窗口中Z轴加速度的最小值。
[0020] 所述X轴的角加速度变化程度是依公式ΔωX=(ωXMAX-ωXMIN)计算获得;其中,ωXMAX是所述时间窗口中X轴角加速度的最大值,ωXMIN是所述时间窗口中X轴角加速度的最小值;
[0021] 所述Y轴的角加速度变化程度是依公式ΔωY=(ωYMAX-ωYMIN)计算获得;其中,ωYMAX是所述时间窗口中Y轴角加速度的最大值,ωYMIN是所述时间窗口中Y轴角加速度的最小值
[0022] 所述Z轴的角加速度变化程度是依公式ΔωZ=(ωZMAX-ωZMIN)计算获得;其中,ωZMAX是所述时间窗口中Z轴角加速度的最大值,ωZMIN是所述时间窗口中Z轴角加速度的最小值。
[0023] 本发明获得撞击点时空信息的方法的进一步改进在于,在步骤e中,将所述最大值AI,MAX对应的时间窗口I内的全部采样点视为撞击点时刻。
[0024] 本发明获得撞击点时空信息的方法的进一步改进在于,在步骤e中,所述最佳撞击点时刻是基于最佳体育实践来决定所述采样窗口I内的那个采样点对应的时刻。
[0025] 本发明获得撞击点时空信息的方法的进一步改进在于,在步骤e中,配置一个阈值,当最大值AI,MAX小于所述阈值,则判断所述球拍动作不存在撞击点。
[0026] 本发明获得撞击点时空信息的方法的进一步改进在于,所述方法用于获得乒乓球、网球或羽毛球的球拍与球的撞击点时间信息。
[0027] 此外,本发明也提供一种用以实施前述获得撞击点时空信息方法的装置,所述装置包括:球拍,具有拍柄;数据采集,设于所述拍柄,所述数据采集模块包括数据采集传感器及信息传输模块;所述数据采集传感器用以采集三维加速度数据以及三维角加速度数据;服务器,与所述数据采集模块通过所述信息传输模块连接并进行数据传输;令所述数据采集模块通过所述数据采集传感器持续采集原始数据,并将所述原始数据发送到所述服务器进行计算以获得所述撞击点时空信息。
[0028] 本发明由于采用了以上技术方案,使其具有以下有益效果:由于本发明仍然基于低成本低功耗的传感器技术,采用现有算法来获得球拍动作的空间轨迹,并进一步通过前述方法计算时间窗口内加速度和角加速度变化程度来判断撞击点时刻及其对应的空间位置,不仅应用范围没有局限且能够获得精确的击球点的时刻,以利于使用者有针对性的改善和提高击球技巧,更具有能够在不增加硬件成本的前提下实现前述方法等有益技术效果。附图说明
[0029] 图1是本发明以用于实施获得撞击点时空信息方法的装置架构示意图。
[0030] 附图标记与部件的对应关系如下:
[0031] 球拍10;拍柄11;数据采集模块20;数据采集传感器21;信息传输模块22;服务器30。

具体实施方式

[0032] 为利于对本发明的了解,以下结合附图及实施例进行说明。
[0033] 本发明提供一种获得撞击点时空信息的方法,其是基于传感器技术获得;当球拍撞击球的时刻,瞬间撞击力会对球拍的加速度和角加速度有短暂的突发影响。不同球拍类体育活动虽然略有不同,但相同的一点是撞击力的方向与人体在球拍上施加的力的方向不一致,甚至基本完全相反(例如正手迎面击球),相比于人自由挥拍(不击打球)的时候,在短暂时段内传感器加速度和角加速度在一个维度或多个维度上存在快速变化。本发明通过分析短时间窗口内传感器三个维度的加速度和角加速度的变化程度,来判别球拍是否撞击到了球,以及何时撞击到了球。
[0034] 其中,需先说明的是,由于基于传感器的原始数据获得球拍动作的起始位置以及空间轨迹为现有技术,故本发明不再赘述。
[0035] 请配合参阅图1,显示本发明用于实施获得撞击点时空信息方法的装置架构示意图。所述装置包括用以设置在球拍10的拍柄11内部或者外部的数据采集模块20以及与所述数据采集模块20进行数据传输的服务器30;其中,所述数据采集模块20包括数据采集传感器21及信息传输模块22;所述数据采集传感器21用以在球拍10动作过程中采集球拍10在三维空间中的三维加速度数据以及三维角加速度数据;所述服务器30与所述数据采集模块20通过所述信息传输模块22连接并进行数据传输。
[0036] 具体地,当所述数据采集模块20设于所述拍柄11内部时,可以将数据采集传感器21、信息传输模块22等构件集成设置于拍柄11内部。当所述数据采集模块20设于所述拍柄
11外部,可以通过将数据采集传感器21、信息传输模块22等构件集成后通过与具有紧固作用的套带结合,以可拆卸地被固定设置在拍柄11外部。
[0037] 于本发明中,所述数据采集传感器21具体为六轴传感器;所述信息传输模块22则可采用低功耗蓝芽传输技术完成信息的传输。应当被理解的是,本发明的数据采集传感器21及信息传输模块22不限于前述实施例,而是以能够获得用于计算撞击点时空信息的传感器皆可作为所述数据采集传感器21应用于本发明的技术方案中;此外,其他能够用于进行无线信息传输的信息传输技术亦皆可作为所述信息传输模块22应用于本发明的技术方案中。
[0038] 藉此,令所述数据采集模块20通过所述数据采集传感器21持续采集原始数据,并将所述原始数据发送到所述服务器30进行计算以获得所述球拍10的撞击点时空信息。于本发明中,所述球拍10可以是选自乒乓球、网球或羽毛球或其他球拍类运动的撞击点时间信息。
[0039] 本发明用以识别球拍10与球撞击点的空间位置和发生时刻的方法步骤包括:
[0040] 步骤a、通过球拍上的传感器在挥拍过程中持续采集获取球拍动作的原始数据、采样点及其持续时段;
[0041] 步骤b、基于原始数据,获得球拍动作的空间轨迹;
[0042] 步骤c、从球拍动作的持续时段的开始时刻开始,滑动生成多个时间窗口I;
[0043] 步骤d、对各时间窗口I进行计算,以分别获得所述时间窗口I的X轴、Y轴及Z轴的加速度变化程度ΔX、ΔY、ΔZ,以及X轴、Y轴及Z轴的角加速度变化程度ΔωX、ΔωY、ΔωZ,并基于所述三轴加速度的变化程度ΔX、ΔY、ΔZ以及三轴角加速度的变化程度ΔωX、ΔωY、ΔωZ,通过融合算法计算出整体变化程度AI;
[0044] 步骤e、对所有的整体变化程度AI取最大值AI,MAX,从所述最大值AI,MAX对应的时间窗口I内的采样点获得撞击点时刻;
[0045] 步骤f、基于撞击点时刻,在球拍动作的空间轨迹中获得撞击点的空间位置。
[0046] 其中,在步骤c中,所述时间窗口I的数量、窗口起始时间和窗口持续时间均可视实际需求进行调整配置。具体的,所述时间窗口I可以是基于每个采样点生成一个时间窗口,其中,相邻时间窗口的起始时间间隔等同于传感器采样间隔;或者,所述时间窗口I可以是基于可配置的时间值来决定相邻窗口的起始时间间隔。此外,所述时间窗口I的宽度亦可选择配置,但每一时间窗口I内应包括至少两个采样点,以计算所述时间窗口I内的加速度及角加速度变化程度。
[0047] 在步骤d中,所述三轴加速度的变化程度ΔX、ΔY、ΔZ以及三轴角加速度的变化程度ΔωX、ΔωY、ΔωZ是依以下公式计算获得:
[0048] X轴加速度的变化程度:ΔX=(XMAX-XMIN);其中,XMAX是所述时间窗口中X轴加速度的最大值,XMIN是所述时间窗口中X轴加速度的最小值。
[0049] Y轴加速度的变化程度:ΔY=(YMAX-YMIN);其中,YMAX是所述时间窗口中Y轴加速度的最大值,YMIN是所述时间窗口中Y轴加速度的最小值。
[0050] Z轴加速度的变化程度:ΔZ=(ZMAX-ZMIN);其中,ZMAX是所述时间窗口中Z轴加速度的最大值,ZMIN是所述时间窗口中Z轴加速度的最小值。
[0051] X轴角加速度的变化程度:ΔωX=(ωXMAX-ωXMIN);其中,ωXMAX是所述时间窗口中X轴角加速度的最大值,ωXMIN是所述时间窗口中X轴角加速度的最小值。
[0052] Y轴角加速度的变化程度:ΔωY=(ωYMAX-ωYMIN);其中,ωYMAX是所述时间窗口中Y轴角加速度的最大值,ωYMIN是所述时间窗口中Y轴角加速度的最小值。
[0053] Z轴角加速度的变化程度:ΔωZ=(ωZMAX-ωZMIN);其中,ωZMAX是所述时间窗口中Z轴角加速度的最大值,ωZMIN是所述时间窗口中Z轴角加速度的最小值。
[0054] 此外,本发明在步骤d中,能够在不同的实施方式上采用适合的融合算法来计算AI,其皆不脱离本发明的范围。具体地,所述融合算法可以是例如:最大值法(将前述六个值取绝对值,取其中的最大值)或者平均值法(将前述六个值取绝对值,相加后除以6)。
[0055] 在步骤e中,由于球拍和球的撞击接触实际上会持续一段时间,不是数学上的一个瞬间时刻。是以,于本发明获得撞击点时空信息的方法中,将所述最大值AI,MAX对应的时间窗口I内的任何一个采样点均视为撞击点时刻。进一步地,在决定最佳撞击点时刻时,可以基于最佳体育实践来决定是所述最大值AI,MAX对应的时间窗口I内的那个采样点对应的时刻;例如:采样时间窗口I中的第一个采样点、最后一个采样点或者位于中间的采样点。
[0056] 于此,需说明的是,如何在时间窗口中选择哪个或哪些采样点作为最佳撞击点时刻,可以在实际实施时根据运动类型及其他因素进行调整和预设,故不在本发明范围内。
[0057] 此外,在步骤e中,为避免在球拍挥空的情况下错误判断撞击点,本发明方法可选择性地预先在服务器内配置一个阈值;藉此,服务器可以在当整体变化程度的最大值AI,MAX小于所述阈值时,判断该挥拍动作不存在撞击点,属于无效数据;反之,在当整体变化程度的最大值AI,MAX大于所述阈值时,判断该挥拍动作存在撞击点,属于有效数据并继续进行后续步骤。
[0058] 以上说明了本发明获得撞击点时空信息的方法及其装置的实施方案,以下请复参阅图1,将结合具体数据并以乒乓球拍正手击球为例据说明本发明的一种具体实现方式。
[0059] 步骤a、在乒乓球拍10的拍柄11处放置数据采集模块20,所述数据采集模块20包含数据采集传感器21以及信息传输模块22;其中,所述数据采集传感器21用以采集球拍10的三维加速度和三维角加速度数据,所述信息传输模块22用以将数据采集传感器21采集到的数据通过低功耗蓝牙技术发送到服务器30。
[0060] 步骤b、在乒乓球拍10正手击球过程中,由数据采集模块20持续采集原始数据(例如球拍动作的起始位置、终点位置等)并将传感器数据发送到服务器30。其中,以球拍动作的持续时段为0.2秒、传感器采样频率为1000Hz(1/秒)为例,则服务器30在接收前述信息后,将计算出有效时段内球拍动作的空间轨迹,并计算获得一共200个采样点(0.2秒×1000Hz)。
[0061] 步骤c、基于步骤b,将所述200个采样点,从第一个采样点开始,逐个采样点生成一个时间窗口I,且每个时间窗口I中包括10个采样点。据此总共生成190个采样窗口。
[0062] 步骤d、对每一个采样窗口进行计算以获得各采样窗口内的三轴加速度的变化程度ΔX、ΔY、ΔZ以及三轴角加速度的变化程度ΔωX、ΔωY、ΔωZ。具体计算如下:
[0063] 分别计算三个维度的加速度变化程度,得到X轴加速度变化程度ΔθX、Y轴加速度变化程度ΔθY和Z轴加速度变化程度ΔθZ;
[0064] 分别计算三个维度的角加速度变化程度,得到X轴角加速度变化程度ΔωX、Y轴角加速度变化程度ΔωY和Z轴角加速度变化程度ΔωZ;
[0065] 通过加权整体变化融合算法计算出整体变化程度AI:
[0066] 计算 其中,Δθ是加速度整体变化程度,ΔθX是X轴加速度变化程度,ΔθY是Y轴加速度变化程度,ΔθZ是Z轴加速度变化程度;
[0067] 计算 其中,Δω是角加速度整体变化程度,ΔωX是X轴角加速度变化程度,ΔωY是Y轴角加速度变化程度,ΔωZ是Z轴角加速度变化程度;
[0068] 计算AI=0.8xΔθ+0.2xΔω,获得整体变化程度AI。
[0069] 步骤e、取190个整体变化程度AI中的最大值AI,MAX,假设其相应采样窗口中的第五个采样点为撞击点时刻。
[0070] 步骤f、根据步骤e获得的撞击点时刻,在球拍动作空间轨迹中获得撞击点的空间位置。
[0071] 上述具体实现方式可同理推论到其它球拍类体育的场景,例如网球和羽毛球等。
[0072] 综上,本发明获得撞击点时空信息的方法及其装置,以基于低成本低功耗的传感器技术,采用现有算法来获得球拍动作的空间轨迹后,再通过计算短时间窗口内加速度和角加速度变化程度来判断撞击点时刻及其对应的空间位置,具有不增加硬件成本,且实现简单的有益技术效果。
[0073] 以上结合附图及实施例对本发明进行了详细说明,本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而,实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定,本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。
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