CN101091832A - 游泳计趟器 - Google Patents

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Abstract

供游泳者(Q)使用的计趟器(10)，具有：外壳(11)；用于将外壳1连接到游泳者(Q)上的带子(12)；和容纳在外壳(11)中的罗盘传感器(110)，用于提供随着所述游泳者(Q)来回游动所沿的相反方向之间改变的输出信号。还提供了一种包括处理器(120)的操作电路(100)，该处理器被编程以区别罗盘传感器(110)的输出信号随着所述相反方向之间的变化，从而确认所述游泳者(Q)的方向倒转，并且然后基于两次方向的连续反转，每次计数趟数。该处理器(120)还可被编程以区别罗盘传感器的输出信号中的变化，以检测超过预定上阈值的上升和低于预定下阈值的随后下降，或者反之亦然，以由此确认代表所述游泳者(Q)的游泳划水的输出信号的波，并对划水进行计数。

Description

游泳计趟器
技术领域
本发明涉及用于游泳练习等的计趟器。
具体地但不唯一地，本发明通常涉及一种用于计算和指示游泳者在泳池中游的趟数、速度和距离以及游泳练习的卡路里消耗的防水手表。
背景技术
游泳爱好者或游泳运动员最关心的是他/她在训练期间游过的距离。由于在多数情况下，人们在诸如25或50米的标准长度的泳池中游泳，游泳距离能够通过计趟测量。心里计趟不仅不准确而且费心，并且肯定使游泳者分心而不能完全集中于表现。
美国专利第4,932,045号公开了一种具有连接到手部或脚部的计趟器的防水数字计趟器，所述防水数字计趟器在游泳者游泳划水或折回期间，通过计趟器紧靠游泳池的侧面触发。在市面上有几种类似的游泳计趟器产品，无一例外地包括一旦一趟结束、供使用者按压的开关或按钮。
与这种计趟器相关的主要缺点或问题在于需要在每趟结束时手动地操作开关。这是游泳者所需的额外动作，干扰了游泳者的划水和/或防止他执行平稳的转身。
通过提供一种更适合使用的新式或改进的游泳计趟器，本发明试图消除或至少减轻这种问题。
发明内容
根据本发明，提供了一种游泳者使用的计趟器，包括：外壳；连接装置，所述连接装置用于将外壳连接到所述游泳者上；和容纳在外壳中的罗盘传感器，所述罗盘传感器用于提供随着所述游泳者往返游动所沿的相反方向之间改变而改变的输出信号。还有一种包括处理器的操作电路，该处理器被编程以区分罗盘传感器的输出信号随着所述相反方向之间变化的变化，以由此确认所述游泳者的方向倒转，并且然后基于两次连续的方向反转，每次计数趟数。
优选地，罗盘传感器包括两轴磁力计。
优选地，连接装置是细长的并适合于围绕所述游泳者的部分延伸。
更优选地，该连接装置包括用于围绕所述游泳者的手腕连接的带子。
优选地，连接装置包括夹具。
优选地，计趟器包括外壳上的显示器，所述显示器用于显示趟数。
在优选实施例中，操作电路包括低通滤波器，所述低通滤波器用于过滤罗盘传感器的输出信号。
更优选地，该低通滤波器被调到高于3Hz的频率。
进一步更优选地，该低通滤波器被调到5Hz的频率。
优选地，该处理器被编程以实现低通滤波器。
在优选实施例中，该操作电路包括整流器，所述整流器用于去除罗盘传感器的输出信号的波动部分。
更优选地，该处理器被编程以实现整流器。
在优选实施例中，该操作电路包括滑动窗口平均电路，用于使罗盘传感器的输出信号平滑。
更优选地，该滑动窗口平均电路可利用大致3秒的窗口宽度操作。
更优选地，该处理器被编程以实现滑动窗口平均电路。
在优选实施例中，该计趟器包括在外壳上的输入装置，所述输入装置用于输入所述游泳者的体重。该操作电路被编程以确认罗盘传感器的输出信号中随着所述游泳者的连续划水之间的变化，以用于确定划水频率；并根据趟数、划水频率、所述游泳者的体重和游泳持续时间，计算所述游泳者的卡路里消耗。
在优选实施例中，该处理器被编程以区别罗盘传感器的输出信号中的变化，以检测超过预定上阈值的上升和低于预定下阈值的随后下降，或反之亦然，以由此确认代表所述游泳者的游泳划水的输出信号的波，并对划水进行计数。
本发明还提供了一种供游泳者使用的划水计数器，包括：外壳；用于将外壳连接到所述游泳者上的连接装置；和容纳在外壳中的罗盘传感器，所述罗盘传感器用于提供随着所述游泳者游动改变的输出信号。还有一种包括处理器的操作电路，该处理器被编程以区别罗盘传感器的输出信号中的变化，以检测超过预定上阈值的上升和低于预定下阈值的随后的下降，或反之亦然，以由此确认代表所述游泳者的游泳划水的输出信号的波，并对划水进行计数。
优选地，该处理器包括装置，该装置用于确定输出信号中的当前检测波和最后确认波之间的时间，并且然后将所述时间与用于使所述检测波有效的预定值相比较。
更优选地，该预定值包括所述时间应落入的用于使所述检测波有效的范围。
附图说明
参照附图，本发明将仅通过实例进行更具体地描述，其中：
图1是采用手表形式的、供游泳者使用的根据本发明的计趟器的实施例的前视图；
图2是图1的计趟器的功能框图，包括罗盘传感器(compasssensor)；
图3是图2的罗盘传感器的示意图；
图4，4A和4B是显示当计趟器戴在自由泳游泳者的手腕上时，图3的罗盘传感器的典型输出波形的示意图；
图5是显示当计趟器戴在蛙泳游泳者的手腕上时，图3的罗盘传感器的典型输出波形的示意图；
图6是显示当计趟器连接于游泳者的头或躯干上时，图3的罗盘传感器的典型输出波形的示意图；
图7是显示图1的计趟器的操作的流程图；
图8是图示说明图1的计趟器的划水计数操作的流程图；和
图9是图示说明图1的计趟器如何计算游泳者的卡路里消耗的流程图。
具体实施方式
首先参照图1到图3，显示了实现本发明的供游泳者Q使用的计趟器10，其采用手表的形式，具有：外壳11和诸如表带12的连接装置，所述连接装置用于围绕游泳者Q的手腕连接外壳11。该计趟器10包括：显示数据用的LCD面板/显示器13(诸如趟计数和时间等)；和多个按压键/按钮(和转动旋钮)14，用于操作控制和诸如游泳者的体重和游泳类型(如果必要)的数据输入。
通常地说，连接装置是细长的并适合于围绕游泳者Q的部分延伸。另一实例是将整个计趟器10连接到游泳者的腰上的带或皮带(belt)。在可选形式中，连接装置可包括固定在外壳11上的夹具，用于将计趟器10连接到诸如游泳衣(腰上)或游泳帽(在头上)的游泳者的装备上。
该计趟器10在容纳在外壳11中的电子操作电路的控制下操作，它基于固态MCU(微处理器或主控制单元)120构成，所述固态MCU120被编程以在不同操作模式下执行多种功能。例如，该MCU120装入低功率CMOS单稳态/非稳态多频振荡器，以实现提供用于记时的数字方波的数字时钟电路(digital clock circuit)，并且以驱动其它电路，诸如连接到其上的LCD显示器13，用于指示能够直接读取的数字格式的时间/日期信息。
由例如微电机驱动的提示振动器15连接到MCU120并由MCU120操作以提供用于指示出现预定条件的振动提示信号。该提示信号是振动的而非声音，以确保它将在水中被注意到。
除了用于传统的时间提示器的预定时间的到达，振动提示功能还能够监控几种其它预定条件。这种条件主要涉及游泳者的锻炼或他/她燃烧的卡路里量，并且这种条件根据游泳者所选择的趟数(即趟提示)、游过的距离(即距离提示)或游泳持续时间(即持续时间提示)来测量。此外，该游泳者还能够选择目标游泳速度，并设置成当达到该速度时提示产生(即，速度提示)。
利用连接到MCU120的按钮14，输入诸如模式改变或数据输入选择的输入数据和使用者控制。
该计趟器10包括容纳在外壳11中的罗盘传感器(compasssensor)110，所述罗盘传感器110的输出被连接到MCU120，用于瞬时探测方向或航向(heading)。该罗盘传感器110典型地包括双轴磁力计(图3)，它是探测和计算磁罗盘航向、并提供对应输出信号所需的最小传感器配置，其中所述对应输出信号指示磁力计航向或定向的方向。在该具体实施例中，该罗盘传感器110采用至少32Hz的抽样频率的罗盘航向作为抽样。
在设计的方案中，该游泳者Q沿具有典型地50米(长池)或25米(短池)的标准或其它已知长度的游泳池往返游动。利用在游泳者Q身上所使用的计趟器10(例如，他/她的手腕或头)，当游泳者Q(即他/她的手腕或头)的相关部分运动时，并且特别地在更大范围，当游泳者Q在游泳池的一端处转向、从一个方向翻转到相反方向时，罗盘传感器110提供瞬时改变的输出信号。
图4显示了当计趟器10戴在自由泳游泳者的手腕上时，罗盘传感器110的输出信号的典型波形。该波型包括两个不同的交替区域F和B，其中：当游泳者沿正向方向(forward direction)游泳时，每个区域F都具有相对较高的罗盘航向值，并且沿反向方向(backwarddirection)，每个区域B都具有相对较低的罗盘航向值。由于区域F和B中的每一个都随着游泳者的速度变化，因此这些区域F和B中的每一个的持续时间显然是不恒定的。每个区域F和B都由一系列约8到11个极短持续时间的极窄脉冲/波组成，并且这些波的每个都代表戴着计趟器10的手臂的一次划水。
图5显示了当计趟器10戴在蛙泳游泳者的手腕上时，罗盘传感器110的输出信号的典型波形。该波形同样地大体上由两个交替区域F和B形成，交替区域F和B如上所述彼此不同，并且每一个区域都类似地包括一系列极短的波。
图6显示了当计趟器10戴在游泳者的头或腰/躯干上时，罗盘传感器110的输出信号的典型波形。该波形也大体上由两个不同的交替区域F和B形成，但尤其就运动幅度而言，因为头或腰/躯干比以上提到的手腕运动明显更少，因此占据这些区域F和B的每一个的系列波显著地更平稳(即更少的波纹)。
作为操作电路100的一部分，该MCU120被编程以实现数字低通滤波器121、数字整流器(digital rectifier)122和数字滑动窗口平均电路(digital sliding window averaging circuit)123，用于处理罗盘传感器110的输出信号。这种辅助模块121、122和123当然可以通过使用诸如电容、感应器、电阻与/或运算放大器(op-amp)的传统电子元件构建，但考虑到尺寸、功耗和灵活性，所述实施例中采用软件方法。
作为主要功能，该MCU120被编程以分析和区分在相反方向之间罗盘传感器110的输出信号的波形的变化，以由此识别游泳者Q在游泳池的任何一端处的方向倒转，并且然后每次基于方向的两个连续反转，计算趟数。现在参照图7描述算法20，MCU120基于所述算法20执行该计趟功能。
当被游泳者Q运动时，罗盘传感器110产生变化的输出信号(方框21)。通常的游泳划水频率约为每分钟40到150次划水，并且这转换为罗盘传感器运动的约0.7到2.5Hz的频率，并且因而其输出信号。该输出信号的有用频率范围相应地被确定为0到5Hz，上限为操作期间可能出现的最高频率的两倍，以提供充分的余地。
首先，该输出信号被馈送通过用于滤波的低通滤波器121(方框22)，所述低通滤波器121被调到有用频率范围的上限5Hz，以便所有超过5Hz的不需要的频率成分被阻塞掉。通常，该滤波器121可被调到超过3Hz的频率，刚好在2.5Hz上。然后，经滤波的输出信号被馈送经过用于去除信号的波动分量(fluctuating component)或波纹的数字整流器122(方框23)。源于图4的波形产生的波形显示在图4A中。
随后，该罗盘传感器110的整流输出信号由滑动窗口平均电路123处理(方框24)，用于使信号进一步平滑，以便它呈现如图4B所示的整齐波形。该平均电路123被设计以利用宽度约为3秒的滑动窗口操作，所述宽度根据正常游泳划水频率确定为是最优的。
通过分析输出信号的波形，MCU120的计趟过程进行以检测罗盘传感器110的处理过的输出信号的变化，所述变化正确表示游泳者Q在游泳池的任一端处的转向的动作。如果变化量足够大(即大于“D阈值”)并且该变化持续达足够长的时期(即，长于“T阈值”)，输出信号的变化被认为指示真实的转向。
“D阈值”的值被确定用于最优波形分析，并且主要基于所使用的罗盘传感器(磁力计)110的灵敏度和输出范围。“T阈值”的值应当大大短于游泳者完成一个泳池长度所花费的时间、即连续的转向之间的时间；但另一方面，该值应当充分长以将真实的转向与假转向区别开，所述假转向例如因游泳者在到达游泳池末端前的某一时刻突然停止并转过他/她的手臂或头/身体(即罗盘传感器110)而引起。“T阈值”被选择为数秒，超过三秒。
量的变化通过数据比较步骤(方框25)监视，所述数据比较步骤检查主要量(prevailing magnitude)“Data”和最后记录的量“Data1”之间的绝对差值是否超过阈值“D阈值”。在“否定地”(negative)的情况下，即量的差不足，MCU120中的特定计时器被重新设置(方框26)，并且过程返回并从开始重新开始(方框21)。
在“肯定”(affirmative)的情况下，即量的差足够，计时器开始计数(方框27)，并且只要量的差维持(即大于“D阈值”)，计时器就继续，直到计时器的计数超过“T阈值”(方框28)，此时游泳者Q转向被记录，并且主要量“Data”  被输入为最后记录的量“Data1”(方框29)，并且该过程然后从方框21重新开始。如果量的差未持续足够长以致计时器过早地停止(方框28)，即检测到假转向时，该过程将从方框21重新开始。
该MCU120包括根据如上所述的算法跟踪游泳者转向的专用计数器，并且MCU120将两次这种转向计为一趟，以自动地产生趟计数。对于累加功能(count-up function)，趟计数(从零开始)可以从显示器13读取。对于递减功能(count-down function)，该趟计数从用户预设目标减小，并且当到达零时，提示振动器15进行以提示游泳者。
该MCU120具有内在的计算功能(calculation facilities)。根据探测到的游泳者的转向，参照前述时钟电路保持的时间能够容易地确定单个或平均趟时间。该游泳时间或持续时间被简单地测量。总的游泳距离也可通过将游泳池长度乘以趟计数计算，并且平均速度可通过将总距离除以游泳时间得出。使用最短的趟时间、即最快趟的时间，通过将两倍游泳池长度除以趟时间也能够计算最大速度。
通过尤其是计趟器10戴在游泳者的手腕上的情况下分析图4或5的波形，该MCU120也被编程以确认每个区域F和B内的较窄的波，每个连续划水也可被识别和计数。虽然采用的算法有些不同，但基本的原理是相同的，即通过在明显更小的时间量程(time scale)上分析罗盘传感器110的输出信号的量的变化(罗盘航向数据)。因此，该计趟器10能够计数趟以及划水，并且如对于趟的对于划水的等同或类似数据可被容易地确定或计算，例如划水的总数和划水频率。
现在将参照图8举例说明划水计数算法40。通过检测罗盘航向信号中相关的更窄的波，该波上升超过特定上阈值并且然后下降到特定下阈值以下，并且在当前检测到的划水波在最后识别的波之后0.3到1.8秒范围中的时间间隔内出现的情况下，游泳划水的发生被确认。
上和下阈值的值是设备相关的(即根据使用中的特定罗盘传感器110)，并且基于实际的游泳划水由实验预先确定。0.3到1.8秒的时间范围取自每分钟40到150次划水的前述正常划水频率，并有一些缓冲。
罗盘传感器110的输出信号(方框41)首先馈送经过高通滤波器(方框42)，用于抑制DC成分(DC component)从而仅提取划水信息。该高通滤波器被调到0.3Hz，一个最优地在前述0.7到2.5Hz的罗盘输出频率范围以下的频率。
在MCU120中有寄存器“SFlag”(划水标记)，用于跟踪由罗盘传感器110检测的划水波的上升(即上升边缘)和下降(即下降边缘)。为“0”或“1”的Sflag寄存器的内容分别代表划水波的上升(开始)或下降(结束)。如果SFlag＝1(方框43)，该MCU操作跳到划水波的检测结束。如果SFlag≠1(方框43)，划水波开始，并且罗盘信号被检查以查看它是否上升超过上阈值(方框44)。在肯定的情况下，使SFlag的内容为“1”(方框45)以准备波的随后的结束，并且罗盘信号被检查以查看它是否然后落到下阈值以下(方框46)。在肯定的情况下，划水波被检测。
如果对上或下阈值的检查结果是“否定的”，即认为没有划水波的上升或下降被探测到，该操作返回到开始(方框41)并重新开始。
当检测到第一划水波时(方框47)，划水计数器(例如在MCU120中)对划水计数加1(方框49)，并且SFlag最后被重置为“0”(方框50)以用于探测下一波(通过其上升)。如果检测到的划水波不是第一波(方框47)，MCU120检查当前检测的波和最后确认的波之间的时间是否在从0.3到1.8秒的限定范围(qualifying range)中。在“肯定”的情况下，该划水是有效的并且划水计数加1(方框49)，并且Sflag最后被重新设置为“0”(方框50)以用于检测下一波。在当前波出现太早或太晚的情况下，它被认为是假(即非有效)的，并且Sflag被重新设置为“0”(方框50)而不更新划水计数。
在罗盘传感器110的输出信号中的每个划水波都被识别以从上升边缘开始并以下降边缘结束。反之，应该理解：该划水波同样可被认为是开始于下降边缘和结束于上升边缘的负波(negative wave)。
在该具体实施例中，计趟器和划水计数器是独立功能，其中：它们并不同步，但例如对特定趟或每一趟进行划水计数是可以的。
通常的游泳类型是自由泳、蛙泳、仰泳和蝶泳。对于自由泳的图4的戴在手腕的罗盘传感器110的输出波形和对于蛙泳的图5的输出波形之间的比较显示在不同游泳类型之间存在可辨别的区别，诸如单个划水波的形状和/或横过划水波的总体轮廓。该MCU120也被编程以通过分析波形来识别游泳类型，尤其是当罗盘传感器110戴在手腕上时。
图9图示说明了MCU120如何根据算法30计算游泳者Q的卡路里消耗(包括脂肪燃烧百分比)，该算法30基于键入的游泳者的体重(方框31)、识别的游泳类型(方框33)，和划水频率(方框34)以及从罗盘传感器110的输出信号(方框32)得出的游泳时间或持续时间。该卡路里计算公式如下：
燃烧的卡路里＝K*体重*时间
系数K是根据不同游泳类型变化的预定常数。蝶泳比自由泳和蛙泳类型燃烧更多的卡路里。更高的划水频率意味着将消耗更多的卡路里。
简言之，计趟器10被设计以执行以下功能：
1.趟计数，包括递减和/或累加
2.每一趟的趟时间、划水总数和平均速度
3.速度(平均和最大速度)和总距离
4.利用振动提示可预设的趟/速度/距离提示
5.卡路里消耗和脂肪燃烧百分比
游泳趟的计数通过根据不同游泳者和不同游泳类型的罗盘指向波形的特征分析罗盘传感器(磁力计)的输出波形而实现，包括滤波、幅度均值(amplitude averaging)、相位探测和模式识别。
通过提供一种用于计数趟的方便和自动的装置，本发明解决了游泳计趟的问题，并且所述装置不需要游泳者的任何操作，并且因此将不会中断他/她的游泳动作或划水。这通过使用罗盘传感器(磁力计)并根据预定算法分析其输出波形实现。该趟计数和计算的速度/距离将显示在LCD面板上。包括罗盘传感器和处理电路、MCU和LCD面板的所有元件被装配在防水外壳内，所述外壳可采取手表的形式，或在不同实施例中，采用连接到游泳帽或游泳衣的夹子的形式。
关注健康的人们通常希望监控他们在游泳练习期间的卡路里消耗，并且本计趟器提供卡路里计算功能以满足该需要。
仅利用实例给出了本发明，并且在不背离如所附权利要求书中说明的本发明的范围的情况下，本领域普通技术人员可以对所述实施例进行多种其它修改和/或改正。

Claims (20)

1.一种供游泳者使用的计趟器，包括：
外壳；
连接装置，所述连接装置用于将外壳连接到所述游泳者；
容纳在外壳中的罗盘传感器，所述罗盘传感器用于提供输出信号，所述输出信号随着所述游泳者来回游动所沿的相反方向之间改变；和
包括处理器的操作电路，所述处理器被编程以区分罗盘传感器的输出信号中随着所述相反方向之间的变化，以由此确认所述游泳者的方向的倒转，并且然后每次基于两个连续的方向倒转计数趟数。
2.根据权利要求1所述的计趟器，其特征在于：
所述罗盘传感器包括双轴磁力计。
3.根据权利要求1所述的计趟器，其特征在于：
所述连接装置是细长的并适合于围绕所述游泳者的部分延伸。
4.根据权利要求3所述的计趟器，其特征在于：
所述连接装置包括围绕所述游泳者的手腕连接的带子。
5.根据权利要求1所述的计趟器，其特征在于：
所述连接装置包括夹具。
6.根据权利要求1所述的计趟器，其特征在于：
所述计趟器包括外壳上的显示器，所述显示器用于显示趟数。
7.根据权利要求1到6中任一项所述的计趟器，其特征在于：
所述操作电路包括低通滤波器，所述低通滤波器用于过滤罗盘传感器的输出信号。
8.根据权利要求7所述的计趟器，其特征在于：
所述低通滤波器被调到高于3Hz的频率。
9.根据权利要求8所述的计趟器，其特征在于：
所述低通滤波器被调到5Hz的频率。
10.根据权利要求7所述的计趟器，其特征在于：
所述处理器被编程以实现低通滤波器。
11.根据权利要求1到6中任一项所述的计趟器，其特征在于：
所述操作电路包括整流器，所述整流器用于去除罗盘传感器的输出信号的波动部分。
12.根据权利要求11所述的计趟器，其特征在于：
所述处理器被编程以实现整流器。
13.根据权利要求1到6中任一项所述的计趟器，其特征在于：
所述操作电路包括滑动窗口平均电路，所述滑动窗口平均电路用于使罗盘传感器的输出信号平滑。
14.根据权利要求13所述的计趟器，其特征在于：
所述滑动窗口平均电路可利用大致3秒的窗口宽度操作。
15.根据权利要求13所述的计趟器，其特征在于：
所述处理器被编程以实现滑动窗口平均电路。
16.根据权利要求1到6中任一项所述的计趟器，其特征在于：
所述计趟器包括在外壳上的输入装置，所述输入装置用于输入所述游泳者的体重；并且所述操作电路被编程以确认罗盘传感器的输出信号中随着所述游泳者的连续划水之间的变化，以用于确定划水频率；并且根据趟数、划水频率、所述游泳者的体重和游泳的持续时间，计算所述游泳者的卡路里消耗。
17.根据权利要求1到6中任一项所述的计趟器，其特征在于：
所述处理器被编程以区别罗盘传感器的输出信号中的变化，以检测超过预定上阈值的上升和低于预定下阈值的随后下降，或者反之亦然，以由此识别代表所述游泳者的游泳划水的输出信号的波，并对划水进行计数。
18.一种供游泳者使用的划水计数器，包括：
外壳；
连接装置，所述连接装置用于将外壳连接到所述游泳者上；
容纳在外壳中的罗盘传感器，所述罗盘传感器用于提供随着所述游泳者游动改变的输出信号；和
包括处理器的操作电路，所述处理器被编程以区别罗盘传感器的输出信号中的变化，以检测超过预定上阈值的上升和低于预定下阈值的随后的下降，或者反之亦然，以由此确认代表所述游泳者的游泳划水的输出信号的波，并对划水进行计数。
19.根据权利要求18所述的划水计数器，其特征在于：
所述处理器包括装置，所述装置用于确定输出信号中当前检测的波和最后确认的波之间的时间，并且然后将所述时间与用于使所述检测波有效的预定值相比较。
20.根据权利要求19所述的划水计数器，其特征在于：
所述预定值包括用于使所述检测波有效的一定范围，所述时间应当落入所述范围内。
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