CN101561450B - 一种体育球类惯性测量系统 - Google Patents

Abstract

一种体育球类惯性测量系统，适合于体育训练和比赛使用的测量各种球的球速、转速和显示球的运动过程三维动画、以及球的飞行轨迹的测量。在球内安装加速度传感器，构成惯性测量单元。通过采集球内的加速度传感器的信号，经处理器或可编程芯片进行计算处理，计算出球的运动速度、运动方向、转速、转动方向、位置、加速度曲线、角加速度曲线等运动状态信息，并输出显示。还可以通过图形技术显示出球的运动过程和飞行轨迹。

Description

一种体育球类惯性测量系统

[0001] 所属技术领域

本发明涉及一种适用于体育球类的惯性测量系统，尤其是用于足球、篮球、排球、橄榄球、铅球、实心球、网球等体育球类的惯性测量系统。 

背景技术

目前，体育上用于测球速的主要技术是雷达测速。其原理是向运动物体发射电磁波，根据多普勒效应，反射回来的电磁波频率发生变化，由此可测出运动物体的速度。这是目前在球类运动中运用较多的测速方法，它的缺点是需要在球飞出的时候对着球测试，会由于场上的球员挡住而无法测试，测试距离短，约20米左右，所以多在场地较小并且场上球员少的网球比赛中使用。并且不能测球的转速和轨迹。 

德国的“智能足球(Smart Ball)”方案，是在足球中加入信号发射芯片，在足球场上设置12个接收器对信号进行跟踪定位(原理类似于GPS定位)，可以精确判断足球是否出界或进入球门线等等，也能够计算出球速。但由于其一套设备的费用高达2000万英镑而难以推广使用。也不能测球的转速。 

所以，现有技术存在着测球速技术使用不方便和成本过高的问题。目前并没有适合于体育训练和比赛使用的测量各种球的球速、转速和显示球的运动过程三维动画，以及球的飞行轨迹的低成本技术方案。 

近年来，由于MEMS(Micro Electronic Mechanical System微电子机械系统)技术的迅速发展，加速度传感器也得到了迅速发展。MEMS技术是建立在微米/纳米技术基础上的21世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。它用微电子技术和微加工技术(包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片键合等技术)相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。正是由于采用了MEMS技术，使得加速度传感器尺寸大大缩小，一个MEMS加速度传感器只有指甲盖的几分之一大小。基于MEMS技术生产的加速度传感器具有体积小、质量轻、能耗低、成本低、抗冲击能力强(可达5000g，所以放在足球中也没问题)、可靠性高等优点。专利文件WO2007/130057A1公开了一种用三轴加速度传感器来测量球速的方案，但使用转速传感器来测量转速，导致成本高昂，测量角速度范围小，无法测量球体的高速旋转。 

本发明利用先进的MEMS加速度传感器技术，运用惯性测量的方法来测量各种体育球类的球速、转速和轨迹。 

发明内容

本发明提供一种体育球类惯性测量系统，以解决现有测球速技术使用不方便、成本过高以及不能显示球的轨迹等问题。 

本发明利用先进的MEMS加速度传感器技术，运用惯性测量的方法来测量各种体育球类的球速、转速和轨迹。具有体积小，质量轻，成本低，功耗低，抗冲击能力强，可以测高转速等诸多优点。能够显示球速、转速、加速度曲线、角加速度曲线等运动状态信息，并且可以结合计算机三维图形技术，显示球的运动过程动画，以及球的飞行轨迹等。 

本发明所采用的技术方案： 

一种体育球类惯性测量系统，在球内安装多个加速度传感器构成惯性测量单元，将加速度传感器的信号，传输给处理器或可编程芯片进行计算处理，然后显示球的运动速度、运动方向、转速、转动方向、位置、加速度曲线、角加速度曲线等运动状态信息，和/或通过图形技术显示出球的运动过程和/或轨迹。 

如上所述的体育球类惯性测量系统，其一种实施方式是，将加速度传感器的信号，传输给球内的处理器或可编程芯片进行计算处理，再由球上的显示屏或者LED显示球的运动状态信息。球上的显示屏可以采用小块的液晶显示屏，其上面覆盖较厚的透明软塑料，以防止被踢坏。 

如上所述的体育球类惯性测量系统，其一种实施方式是，由球内的处理器或可编程芯片采集加速度传感器的信号，再传输给球外的手持接收设备的处理器或可编程芯片进行计算处理，然后在设备上显示球的运动状态信息，还可以根据计算出的速度、位置和角速度，利用图形技术，在屏幕上显示出球的运动过程动画和飞行轨迹。 

如上所述的体育球类惯性测量系统，其一种实施方式是，由球内的处理器或可编程芯片采集加速度传感器的信号，再传输给球外的计算机的中央处理器进行计算处理，然后显示球的运动状态信息。还可以根据计算出的速度、位置和角速度，利用图形技术，在屏幕上显示出球的运动过程动画和飞行轨迹。 

根据所述的体育球类惯性测量系统，球内由多个加速度传感器构成的惯性测量单元。有三种基本配置方式： 

第一种，球内六个加速度传感器分别位于以球的重心为中心的正方体的六个面中心，敏感轴沿着面对角线方向。这种方式测量精度高，安装要求也较高。 

第二种，球内六个加速度传感器分别位于以球的重心为中心的正方体的六个面中心，敏感轴平行于正方体的棱的方向。这种方式测量精度比第一种稍低，但安装较方便。 

第三种，三个加速度传感器敏感轴互相正交，交点位于球的重心，一个三轴加速度传感器位于球的重心，三个敏感轴分别与前三个加速度传感器的敏感轴重合。这种方式只能测角速度的大小，不能测出角速度的方向，但只用四个加速度传感器，有利于降低成本。 

这三种配置方式之间可以任意相互组合，构成新的配置方式。 

根据所述的体育球类惯性测量系统，其中的处理器或可编程逻辑芯片，主要用于对加速度传感器测得的加速度进行计算处理，对加速度进行积分算出速度，再对速度积分算出位置。在使用球外的处理器进行计算的实施例中，球内的单片机仅负责采集数据和控制通信模块，通过无线数字通信的方式传送数据给球外的处理器计算处理。在要求低成本的情况下，也可以使用有线传输的方式传送数据。球外的处理器可以是单片机或者PC机的CPU。在某些实时性要求更高的实施例中，用FPGA芯片、CPLD芯片、或GAL芯片等可编程逻辑芯片构成计算电路，代替处理器完成计算功能，以达到更高的计算速度。 

根据所述的体育球类惯性测量系统，在应用于充气球类的实施例中，球内安装有气压传感器，监测球是否漏气。如果气压异常可以发出警报。 

根据所述的体育球类惯性测量系统，在某些实施例中，加入流体力学计算程序，用于计算旋球在飞行过程中因旋转引起的偏移。 

一种适用于游戏的体育球类惯性测量系统，包括用于游戏的球、处理器和显示器，在球内安装多个加速度传感器构成惯性测量单元，将加速度传感器的信号，传输给处理器 进行计算处理，然后在显示器上显示球的运动状态信息和/或球的运动过程和/或轨迹。 

本发明的效果是，可以非常方便地测量球速，并大幅度地降低了成本。使得测量系统具有体积小，质量轻，成本低，功耗低，抗冲击能力强，可以测高转速等诸多优点。能够显示球速、转速、加速度曲线、角加速度曲线等运动状态信息，并且可以结合计算机三维图形技术，显示球的运动过程动画，以及球的飞行轨迹等。提供了适合于体育训练和比赛使用的测量各种球的球速、转速和显示球的运动过程三维动画，以及球的飞行轨迹的低成本技术方案。在足球、篮球、排球、橄榄球、铅球、网球等体育球类中应用，可以帮助体育教练和运动员进行技术分析。 

例如在足球中运用，能够帮助球员进行定位球、传接球、守门员扑球等相关训练和测试。教练可以在球场或观众席上用笔记本电脑接收数据，能实时知道踢出球的球速及转速，以及观察球的三维运动轨迹。这将非常有利于教练了解球员的技术水平，以及脚法、用力方向等是否正确，以便更好地对球员进行指导。也有利于球员自我检查、比较和提高。在足球比赛中使用，观众便可以在电视直播中看到球星每一脚射门的球速和转速，以及足球的三维运动轨迹，不再受到镜头的限制。 

由于本系统和计算机紧密结合，在电脑游戏和电子游戏上使用。比如作为球类游戏的输入设备，其真实感是键盘鼠标无法比拟的。 

附图说明

图1是第一种加速度传感器配置方式示意图。图中1，2，3，4，5，6为六个MEMS加速度传感器，分别位于以球的重心为中心的正方体的六个面中心，敏感轴沿着面对角线方向，如箭头所示。图中的正方体是为方便理解各加速度传感器的相对位置关系而画出，并非实现本发明的需要。 

图2是第二种加速度传感器配置方式示意图。图中1，2，3，4，5，6为六个加速度传感器，分别位于以球的重心为中心的正方体的六个面中心，敏感轴平行于正方体的棱的方向，如箭头所示。图中的正方体是为方便理解各加速度传感器的相对位置关系而画出，并非实现本发明的需要。 

图3是第三种加速度传感器配置方式示意图。图中三个加速度传感器1，2，3的敏感轴互相正交，交点位于球的重心，一个三轴加速度传感器4位于球的重心，三个敏感轴分别与前三个加速度传感器的敏感轴重合。 

图4是本发明在足球中应用的实施例的结构图。六个MEMS加速度传感器1，2，3，4，5，6分别位于以足球的重心为中心的正方体的六个面中心，采用第一种配置方式，与图1一致，故此处不再标出用于辅助理解的正方体和箭头。7为单片机和射频无线发射芯片构成的电路板。8为气压传感器，9为计算机，10为便携式手持终端。 

具体实施方式

下面以本发明在足球中的应用作为具体实施例，说明其工作过程。 

如图5所示，六个MEMS加速度传感器1，2，3，4，5，6分别位于以足球的重心为中心的正方体的六个面中心，采用第一种配置方式，与图1一致，故此处不再标出用于辅助理解的正方体和箭头。7为单片机和射频无线发射芯片构成的电路板。8为气压传感器，9为计算机，10为便携式手持终端。 

六个加速度传感器和气压传感器都连接到电路板7上，由单片机内置的A/D转换功能对六个加速度传感器和气压传感器输出的模拟信号转换成数字信号，并按一定的时间间隔进行采样，然后将采样的数据通过射频无线发射芯片发送给计算机或手持终端。球内这部分电路利用塑料泡沫将足球充满的方式嵌在足球中，或在橡胶球胆中做出一个平面，将电路固定在平面上。 

计算机或手持终端根据加速度传感器的数据计算出足球的速度(包括速度的方向)和转速(包括转动的方向)，将数值显示在屏幕上，再对速度进行积分计算出足球的位置。利用计算机三维图形技术按一定时间间隔逐帧绘制出足球的位置，就形成了球的运动过程动画。再绘制出足球落地之前球心在空中经过的多个位置点的连线，即形成轨迹。使用三维图形技术绘制出的三维图形的好处是可以从任意角度进行观察。为了降低成本降低硬件要求，也可以使用二维图形技术绘制侧视图、前视图或顶视图。 

计算机或手持终端在计算和绘图完成之后自动将本次接收到的速度传感器的数据保存，作为历史记录，以后可以再次调用该数据计算并显示出该次测量的结果和动画。 

计算机或手持终端如接收到气压报警信号，则在屏幕上显示气压数值和气压不正常的警告，并发出蜂鸣音。 

将本发明的儿个特征重新组合，或者稍作修改和变动，即形成了新的技术方案，这些也属于本发明的精神实质，均落在本发明要求的保护范围之内。 

Claims (9)

1.一种体育球类惯性测量系统，其特征是：在球内安装多个加速度传感器，其配置方式是以下三种中的一种，或多种的相互组合：

第一种，球内六个加速度传感器分别位于以球的重心为中心的正方体的六个面中心，敏感轴沿着面对角线方向；

第二种，球内六个加速度传感器分别位于以球的重心为中心的正方体的六个面中心，敏感轴平行于正方体的棱的方向；

第三种，三个加速度传感器敏感轴互相正交，交点位于球的重心，一个三轴加速度传感器位于球的重心，三个敏感轴分别与前三个加速度传感器的敏感轴重合；

将加速度传感器的信号，传输给处理器或可编程芯片进行计算处理，然后显示出球的运动状态信息和/或球的运动过程和/或轨迹。

2.根据权利要求1所述的体育球类惯性测量系统，其特征是：将加速度传感器的信号，传输给球内的处理器或可编程芯片进行计算处理，再由球上的显示屏或者LED显示球的运动状态信息。

3.根据权利要求1所述的体育球类惯性测量系统，其特征在于：由球内的处理器或可编程芯片采集加速度传感器的信号，再传输给球外的手持接收设备的处理器或可编程芯片进行计算处理，然后在设备上显示球的运动状态信息和/或球的运动过程和/或轨迹。

4.根据权利要求1所述的体育球类惯性测量系统，其特征在于：由球内的处理器或可编程芯片采集加速度传感器的信号，再传输给球外的计算机的处理器进行计算处理，然后在显示器上显示球的运动状态信息和/或球的运动过程和/或轨迹。

5.一种适用于游戏的体育球类惯性测量系统，包括用于游戏的球、处理器和显示器，其特征是：在球内安装多个加速度传感器，其配置方式是以下三种中的一种，或多种的相互组合：

第一种，球内六个加速度传感器分别位于以球的重心为中心的正方体的六个面中心，敏感轴沿着面对角线方向；

第二种，球内六个加速度传感器分别位于以球的重心为中心的正方体的六个面中心，敏感轴平行于正方体的棱的方向；

第三种，三个加速度传感器敏感轴互相正交，交点位于球的重心，一个三轴加速度传感器位于球的重心，三个敏感轴分别与前三个加速度传感器的敏感轴重合；

将加速度传感器的信号，传输给处理器进行计算处理，然后在显示器上显示球的运动状态信息和/或球的运动过程和/或轨迹。

6.根据权利要求1至3之一所述的体育球类惯性测量系统，其特征在于：所述的可编程芯片是包括FPGA芯片、CPLD芯片、GAL芯片在内的可编程芯片。

7.根据权利要求1至5之一所述的体育球类惯性测量系统，其特征在于：所采用的加速度传感器为MEMS加速度传感器。

8.根据权利要求1至5之一所述的体育球类惯性测量系统，其特征在于：在充气球类使用的系统中，球内安装有气压传感器。

9.根据权利要求1至5之一所述的体育球类惯性测量系统，其特征在于：加入流体力学计算程序，计算出旋球在飞行过程中因旋转引起的偏移。

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