CN102706301A - 一种用于测量球拍六自由度运动数据的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测量球拍六自由度运动数据的方法，属于电子信息、自动化与计算机领域。本发明在球拍的手柄处嵌入无线传感综合模块，用于采集球拍手柄处的六自由度运动数据，并以无线方式传输给上位机接收模块；上位机接收模块利用球拍本身的局部坐标系向世界坐标系转换关系，计算得到球拍的拍头的运动数据。本发明既可以方便的对运动员在真实训练和比赛中进行运动数据采集，又对真实球拍的运动性能几乎不产生影响。利用球拍刚体特性，通过球拍手柄运动信息计算得到拍头的运动信息，方法灵活易用，属于间接测量，从而回避了在拍头处安装额外的传感器装置，避免了对球拍的运动特性的改变，具有真正的实用性。

Description

一种用于测量球拍六自由度运动数据的方法

技术领域

本发明涉及一种基于传感器与电子通讯技术的新型球拍，属于电子信息、自动化与计算机领域。特别地，涉及一种在真实球拍的手柄处植入传感器的设计方式并通过间接测量的方法还原出拍头也就是击球部位运动数据的方法。

背景技术

随着信息科学的发展，体感运动的兴起让越来越多的人机交互产品具有了体感的特征。如联想公司的3D体感控制器鼠标，任天堂的wii游戏主机，微软的XBOX Kinect等。这些设备通过内置传感器或者外置摄像头的方式，来获得人体的运动数据从而实现人机交互。而目前在真实的网球拍、羽毛球拍、乒乓球拍等，内置传感器用以实时或离线捕捉运动数据的方法还没有出现。主要原因在于真实的球拍所需要的测量的重点是击球部位的运动信息，也就是拍头的运动信息，但是将传感器放在真实球拍的击球部位是非常困难的，尤其是真实的网球拍、羽毛球拍和乒乓球拍，放置在拍头哪怕任何一个轻量级的传感器都会给球拍的运动性能产生重大影响，让使用者的运动体验感大打折扣，并容易受到外力的损坏；再者可以测量三维空间位移和旋转角度，能够独立工作并具有无线传输功能的芯片模块，有一定的体积，很难放入羽毛球拍、网球拍和乒乓球拍的拍头部分。

发明内容

本发明为了解决直接在真实球拍的击球部位放置传感器的不便，设计并实现了一种在球拍手柄(手握处)内置传感器的球拍，并提出了一种基于刚体特性的间接测量拍头运动信息的方法。该方法可以通过放置在手柄的传感器所测量得到的运动数据间接的计算得到拍头中心点的三维位移和旋转角度信息，既可以方便的对运动员在真实训练和比赛中进行运动数据采集，又对真实球拍的运动性能几乎不产生影响。

本发明设计了一种在真实球拍中内置传感器的新型产品，并通过间接测量的方法，计算得到球拍的拍头的击球部位沿三维空间内的轴向位移和旋转角度一共六自由度的运动数据。测量得到的运动数据将以无线通讯的方式传输到PC、平板电脑和手机智能设备中，用以实时的进行运动数据分析、模拟仿真训练和其他人机交互使用；或将运动数据存储在内置存储器中，用以比赛之后离线的数据分析和其他使用。特别的，进一步设计了多个节点入网的综合控制方法，实现了多个用户的数据的同时采集以及多用户运动数据的实时交互。

本发明所述的体感球拍主要包括一个采用无线技术的上位机接收模块和嵌入在球拍上的无线传感综合模块。所述的无线传感综合模块用于采集用户挥动球拍时，球拍或球拍中所嵌入的无线传感综合模块的六自由度的运动数据，并将运动数据以无线方式传输给上位机接收模块。所述的无线传感综合模块包括三轴加速度传感器、三轴角度传感器、数据存储单元、信号调理单元、中央处理单元、无线传输模块和电源单元。所述的上位机接收模块包括无线传输模块，USB/UART接口转换芯片、电源芯片以及USB接口，可实现即插即用。

所述无线传感综合模块设计上以小型化、轻量化为核心理念，采用集成度较高的芯片，以减小综合模块电路板的大小和重量，使其可以方便的嵌入到球拍的末端(人手握处)，之所以嵌入到球拍的手柄末端，是因为球拍的拍头无法嵌入芯片。由于其重量较轻，且设计为内嵌入方式附加在球拍中，因此不会为用户带来额外的负担。特别的，用户在进行真实的比赛过程中，可以嵌入该无线传感综合模块，用于实时检测运动员的挥拍的动作数据等，或记录下动作数据用于赛后的分析。本发明设计为无线传感综合模块与真实的球拍可分离式，即用户可以直接使用球拍进行室内或室外运动，不需要一定配有该模块；此外，此设计也便于给无线传感综合模块充电。

本发明有两种工作模式可供选择，第一种工作模式为实时人机交互模式，球拍运动信息直接通过无线传输模块的发送端传递给上位机接收模块中的无线传输模块的接收端，上位机接收模块实时得到用户挥拍的动作数据用作实时数据分析与检测，或模拟仿真训练和人机交互使用。第二种工作模式为离线模式，可以用于真实比赛或者其他户外实际运动时，所有数据存储在数据存储单元的闪存(数据存储单元)中，运动完毕后直接将闪存与上位机电脑等终端连接，使用配套软件实现运动数据的分析等功能。

特别地，由于在实际的运动中，击球的部位是拍头。而无线传感综合模块所测量的数据球拍的末端(嵌入芯片的手柄处)的运动数据，而更重要的和用户最关心的是获得拍头的运动，本发明中设计了一种由所测量的球拍的末端的运动数据计算得到拍头的运动数据的方法。其原理是利用球拍的刚体性质，在球拍局部坐标系下，拍头与手柄只有位置差异(如沿着拍子纵向相差一个距离而已)，而作为一个整体的刚体球拍各个部位是没有姿态差异的。因此可以利用球拍本身的局部坐标系向世界坐标系转换的方法来实现拍头的运动数据的获取。

无线传感综合模块作为采集用户挥拍动作信息的核心模块，其包括以下关键子模块：

(1)基于三轴加速度计的三自由度的位移传感器单元；(2)基于数字陀螺的旋转角度传感器单元；(3)基于单片机的中央处理单元；(4)基于无线通讯模块的信号发送和接收单元；(5)数据存储单元；(6)独立供电的可充放电电源单元。无线传感综合模块用于采集球拍在三维空间内的三个轴上的位移信息，以及转动角度信息，然后通过以单片机作为核心的中央处理单元，最后将经过处理的信息利用无线传输模块以无线信号的方式发送出去给上位机接收模块。中央处理单元选用自带高精度AD采集以及看门狗的单片机芯片。AD采集用于获得经过信号调理单元调理的加速度传感器单元的电压输出，并还原为加速度信息，经过对时间的一次积分得到速度信息，经过对时间的第二次积分得到位移数据。看门狗用于当处理器程序跑飞或者处于死机状态时，看门狗将从硬件上对处理器进行强制复位，使处理器重新进入正常工作模式。其中无线传感综合模块内部设置有ROM用于存储出厂时的唯一标识SN号和左右鞋标识ID号，即每一块成品的模块都是依靠烧写进ROM的不同信息进行区分的，类似于产品的出厂序列号。数据存储单元用于存储运动数据于存储介质中，以便在使用第二种工作模式时存储运动数据，以便在运动结束后将运动数据传递给上位机供分析处理。

上位机接收模块，作为接收和处理球拍中无线传感综合模块所发送信息的模块，其核心在于通过无线通讯协议，与无线传感综合模块建立连接并接收相关数据，提供用户挥拍等运动信息，以备各类应用平台使用，例如Windows系统，Andriod系统，苹果IOS系统等等。上位机接收模块将集成无线传输模块的数据接收端，并采用USB供电的即插即用方式，以适应那些本身不带无线接收模块的硬件系统，如普通台式机、笔记本等，同时对应Windows等平台。

本发明特别为多用户同时进行球拍运动数据采集的情况，设计一个用来存储多个球拍运动数据的动态链表，链表由上位机搜索匹配时进行动态创建。传感器的数据包中含有的SN这个唯一标识变量，将用以判断是否增加一个新的链表节点。每个链表节点数据结构中包含以下信息：一个类型为链表节点的指针，用以指向下一个链表节点；一组运动数据信息；唯一标识变量SN。

本发明为第三方开发人员提供可供调用的API函数，每次调用函数返回一个数据链表的头指针，链表中每个节点则是存储了一组运动信息以及相应标识SN，第三方开发者可通过遍历链表的方式获取连入上位机端的全部用户的球拍运动信息，用于击球等的动作数据分析、仿真模拟训练。此外，第三方开发人员可以通过具体的人机交互的应用实例的要求，实现一个挥拍运动数据与具体控制指令的映射，用于控制应用程序实现具体的人机交互操作。

本发明提供的一种可测量六自由数据的体感球拍在运动数据采集上一般工作流程包括以下步骤：

(1)开启球拍电源并选择工作模式。如果选择第一种工作模式，则转入步骤(2)，如果选择第二种工作模式则直接转入步骤(9)；

(2)下位机初始化，并为无线传感综合模块上电；

(3)开启上位机接收模块，进行无线搜索，匹配周围的存在无线传感综合模块，开始自组网工作。若搜索到符合协议的设备，则自动进行连接；如果超过阈值时间T秒(可设)，仍然没有搜索到可匹配的相应设备，则自动转入连接失败处理程序；如果搜索到可匹配的下位机无线传感综合模块，自动进行连接，实现子节点的自动入网，并建立通讯连接。其中搜索过程中，上位机通过子节点的SN号，进行球拍运动信息动态链表的创建；

(4)自组网成功并且通讯建立完毕后，上位机发送下位机开始采集指令；

(5)中央处理单元的单片机对采集到的数据进行解算，还原出位移及其角度信息，并作为体感信息数据存储于缓存中：获得球拍的三个坐标轴方向上的加速度，分别记作a_x，a_y，a_z，利用两次积分运算获得球拍局部坐标系X′Y′Z′三个轴向上的位移Δx′，Δy′，Δz′；利用数字陀螺，检测出球拍绕局部坐标系轴向的转动角度，记作θ_X，θ_Y，θ_Z；

(6)中央处理单元将处理后的运动信息以及SN号传递给无线传输模块发送；

(7)上位机接收模块按照设定的周期，定时接收球拍中的无线传输模块发送的信息。首先基于捷联惯导系统的公知方法，由加速度计和数字陀螺所测量计算得到的Δx′，Δy′，Δz′和θ_X，θ_Y，θ_Z，计算得到球拍局部坐标系相对于世界坐标系的三个姿态角p、h、b，以及局部坐标系原点在世界坐标系下的坐标tx，ty，tz；然后基于球拍局部坐标系与世界坐标系的转换关系，由手柄的六自由度运动数据(x，y，z，p，h，b)计算得到拍头的六自由度运动数据(x_c，y_c，z_c，p_c，h_c，b_c)。所所计算得到的拍头的六自由度运动数据将存储上位机的缓存中，提供给后续的软件应用程序，用于数据分析或者进行人机交互应用；

(7)如果上位机通过直接控制发送结束指令，则采集与通讯工作流停止，并退出程序。转入步骤(11)；

(8)下位机初始化，中央处理器单元启动开始采集数据；

(10)中央处理单元的单片机对采集到的数据进行解算，还原出位移及其角度信息，然后直接存储在数据存储单元闪存中；

(11)关闭球拍电源。第一种工作模式至此结束，采用第二种工作模式可将数据存储单元中的闪存卡取出连接在上位机终端进行进一步运动数据分析处理。

此外，本发明中的无线传感综合模块中的电池为内置锂电池，设计有充电接口和相应的充电器。用户在将无线传感综合模块从球拍手柄中取出后，可以很方便的对其进行充电。且无线传感综合模块带有按键式开关。当用户开启通讯模式时，若超过一定时间Tend(可设)没有搜索到无线通讯信号，则中央处理单元中的单片机将控制整个系统自动断电，以节省电力消耗。并且在器件选择和系统设计方面注意了低功耗设计，尽可能延长一次充电后的使用时间，提供更好的用户体验。

本发明的可用于真实运动数据的采集，虚拟仿真训练以及人机交互。如将本发明所述的球拍用于采集世界一流羽毛球选手的挥拍标准动作，将其采集到PC机中，分析其挥拍击球过程中的拍头所经过的轨迹，并用三维表现的手段渲染出运动轨迹，作为其他选手或者普通爱好者，训练基本动作的基准。即让其他选手或普通爱好者使用本发明完成相同的动作，同样采集到PC机中，分析和比较两组数据的差异程度，经过不断的训练，即可让其他选手或普通爱好者不断改变挥拍的动作，以减小挥拍轨迹的差异度，从而形成标准的规范动作。从而更快更好的进行专业训练。此外本发明也可以用来进行玩游戏或人机交互应用。

本发明的优点在于：

1、在真实的球拍中嵌入可检测六自由度运动信息的芯片模块，实现了真实运动中的数据的采集，又可以利用真实球拍进行虚拟仿真训练以及人机交互，填补了该领域的空白；

2、芯片模块质量轻，体积小，便于放置在球拍内部；

3、嵌入的芯片模块设计在人手握拍处，意在将芯片模块更好的隐藏与保护，不对使用者添加任何明显的负担；同时不改变真实球拍的运动特性，如果将传感器芯片设置在拍头，则将会给球拍的整体运动性能带来折扣；且芯片容易损坏。

4、利用球拍刚体特性，通过球拍手柄运动信息计算得到拍头的运动信息，方法灵活易用，属于间接测量，从而回避了在拍头处安装额外的传感器装置，避免了对球拍的运动特性的改变，具有真正的实用性。

附图说明

图1为设置有无线传感综合模块的球拍结构示意图；

图2为球拍上局部坐标系示意图；

图3为本发明中的无线传感综合模块与上位机接收模块的结构示意图；

图4为无线传感综合模块采集运动信息的工作流程图；

图5为本发明中的子节点入网流程图；

图6为本发明中运动信息的采集和传输过程流程图；

图7为上位机接收模块的硬件组成结构示意图；

图8为本发明中动态链表的建立流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供一种可测量六自由度数据的体感球拍，并提供了一种用于测量球拍六自由度运动数据的方法，如图1所示，所述的球拍1在手柄上设置有无线传感综合模块2，所述的无线传感综合模块2与上位机接收模块3之间基于无线通讯进行连接，上位机接收模块3直接与PC机等终端设备连接。所述的无线传感综合模块2与上位机接收模块3进行通信，上位机接收模块3用于接收球拍1的运动信息，并将手柄运动信息基于刚体特性间接计算得到击球部位(拍头)中心点的运动信息。所得到的运动信息可以应用于数据分析、仿真虚拟训练或人机交互。所获得的信息可用于实时检测运动员的挥拍的动作数据等，或记录下动作数据用于赛后的分析，也可以实时的进行仿真训练或者人机交互用。其中计算的过程由于相对复杂，放在上位机接收模块3上可以充分利用PC、平台电脑以及手持智能设备的高运算性能，以获得更好的实时性，从而减轻无线传感综合模块2的运算负担，提高效率；如果在无线传感综合模块2上采用更高效的中央处理器，也可以将间接计算过程转移到无线传感综合模块2内部，以实现更高的集成度。所述的无线传感综合模块2在球拍手柄上的设置，可以通过手柄侧面开有凹槽，凹槽中安装无线传感综合模块；也可以是将无线传感综合模块通过手柄的端部嵌入手柄内部轴心线上，并且无线传感综合模块的几何中心与球拍拍头的中心位于球拍局部坐标系的z轴上。

所述的硬件系统总体结构实现如附图3所示，包括无线传感综合模块：含加速度传感器、角度传感器、信号调理单元、中央处理单元、无线传输模块、数据存储单元和电源单元，所述的电源单元用于为加速度传感器、角度传感器、信号调理单元、中央处理单元、无线传输模块和数据存储单元供电；所述的加速度传感器采集球拍的手柄运动信息并经过信号调理单元调理为可用信号后，与角度传感器采集的球拍角度信息一起发送到中央处理单元，并经过无线传输模块的发送端发送给上位机接收模块；上位机接收模块：含无线传输模块，USB/UART接口转换芯片、电源芯片以及USB接口，所述的无线传输模块的接收端接收发送端的数据，并通过接口转换后，转换为可传输的格式。

所述的加速度传感器为三轴加速度计，采用KXR94加速度计芯片，KXR94是Kionix公司生产的三轴加速度计。该加速度计内部已经对温度和电压波动引起的偏差进行了设计补偿，因此由于电压和温度引起的偏差较小。该器件测量范围为±2g，灵敏度系数为560mV/g，非线性度为0.1％，工作电压为2.8～3.3V；该加速度计功耗很低，静态电流约1.1mA，可以满足整体设计的低功耗要求。KXR94三路输出分别代表X轴输出、Y轴输出、Z轴输出，提供给后续信号调理单元之后最终被中央处理单元的单片机AD采集。

所述的角度传感器采用ST公司的L3G4200D数字输出陀螺仪。该陀螺仪具有I2C/SPI数字输出接口，16比特率值的数据输出，2.4V～3.6V的宽电源工作电压，嵌入式power-down和睡眠模式，高抗撞击能力，可以满足设计的低功耗防撞击的要求。L3G4200D获得的角度信号可以直接传给中央处理单元中的单片机使用。

所述的中央处理单元的核心是单片机。单片机选用PIC18F2520。该单片机具有宽工作电压2.0～5.5V；具有10通道10位AD采集；低功耗，空闲模式下典型电流仅5.8uA；自带看门狗电路；支持SPI及I2C。中央处理单元通过所选单片机自带的AD采集三轴加速度传感器经过信号调理单元调理的输出信号，并直接接收数字陀螺仪的信号，通过所编写的内部解算程序获得体感信息，存入缓存中；之后，通过无线传输模块传输至上位机接收模块供上位机软件使用。工作过程如附图6所示，单片机初始化后开始采集加速度及角度信息，采集完毕后，进入数据解算程序，即将加速度解算为球拍的位移，将位移信息和角度信息作为体感信息一起存入缓冲区中，并将球拍运动信息向上位机接收模块发送。

无线传输模块采用ZigBee模块。ZigBee无线通信技术是一种低速率、低功耗、低复杂度、低成本的双向无线通信网络技术，可广泛应用于工业监控、安全系统、传感器网络、智能家居等领域。ZigBee的优势在于低功耗，相较蓝牙或者WiFi待机时间可提高几十倍；低成本，降低了对通讯控制器的要求，而且协议专利免费；高容量，一个主节点可以管理多个子节点，最多可达254个子节点；此外还具有短时延，高安全，免执照频段等优势。Zigbee模块可以满足设计应用的要求。无线传输模块包括发送和接收两部分，分别安装在无线传感综合模块以及上位机接收模块中，用于数据通信。

所述的数据存储单元的核心是存储介质和存储介质读写芯片。目前最流行的存储介质是闪存(U盘、CF卡、SM卡、SD/MMC卡、记忆棒、XD卡、TF卡等等)，对应的需要使用相应的读写芯片。目前最常用的是CH375或者CH376芯片加U盘的组合，当然也可以使用CH376加SD卡的组合方式。本发明使用CH376芯片加闪存的模式。CH376用于单片机系统读写U盘或者SD卡中的文件，支持USB设备方式和USB主机方式，内置了USB通讯协议的基本固件，内置了处理Mass-Storage海量存储设备的专用通讯协议的固件，内置了SD卡的通讯接口固件，内置了FAT16和FAT32以及FAT12文件系统的管理固件，支持常用的USB存储设备(包括U盘/USB硬盘/USB闪存盘/USB读卡器)和SD卡(包括标准容量SD卡和高容量HC-SD卡以及协议兼容的MMC卡和TF卡)。CH376支持三种通讯接口：8位并口、SPI接口或者异步串口，单片机/DSP/MCU/MPU等控制器可以通过上述任何一种通讯接口控制CH376芯片，存取U盘或者SD卡中的文件或者与计算机通讯。可以方便的选用合适的闪存进行数据存储。

电源单元采用锂电池供电，并加入AMS1117-3.3作为电源稳压芯片，使电源单元输出稳定为3.3V，可以为单片机、三轴加速度计、数字陀螺仪及无线传输模块供电。AMS1117-3.3芯片输入电压范围4.75～12V，输出电压3.267～3.333V，输出电流1A，工作温度-40～125℃。电池采用可充电锂电池，容量800～1000mAh，工作电压6V，充放电次数可达500次，即使使用很频繁也可以保证至少一年的使用时间。

上位机接收模块主要包括了无线接收、USB/UART接口转换芯片、电源芯片以及USB接口。如附图7所示。无线接收主要用于接收无线传感综合模块发送过来的体感数据。而信号类型转换芯片为FT232R，FT232R为USB/UART转换芯片，其主要功能是在内部硬件逻辑作用下实现USB和一步串行数据传输接口的转换。芯片内部继承了1024位的EEPROM和多频率时钟发生器(6MHz，12MHz，24MHz，48MHz)。电源芯片采用上文提到的AMS1117-3.3，提供3.3V输出为FT232R和Zigbee模块供电。USB接口用于与终端设备如PC机相连，完成数据传输以及电源供电功能。

如附图4所示，采用上述的无线传感综合模块采集运动数据的工作流程可以描述为：

1.打开电源并选择工作模式。如果选择第一种工作模式，则转入步骤2，如果选择第二种工作模式，则转入步骤9；

2.在上位机接收模块已经插入PC机，且上位机软件打开的情况下，打开无线传输综合模块电源；中央处理单元的单片机、加速度计、数字陀螺、信号调理单元、数据存储单元以及电源单元进行上电和初始化；

3.无线传输模块开始自组网工作，子节点的入网流程如附图5所示，具体为：

(A)需接入的节点上电电并初始化，延时后，判断子节点是否收到信标帧，如果没有收到，则认为子结点入网失败；如果收到，则转(B)；

(B)监听信标帧选择主节点；

(C)下位机无线传输模块发送入网请求给上位机接收模块，如果下位机接收到主节点的回复，则转(D)；如果下位机没有接收到主节点回复，则转(E)；

(D)分配短地址给子节点，此时子节点入网成功；

(E)判断是否存在主节点，如果没有主节点则认为子结点入网失败，如果存在主节点，则返回(B)；

4.组网成功后上位机接收模块发送球拍数据采集指令，中央处理单元开始采集加速度传感单元器单元和角度传感器单元的数据；

5.中央处理单元的单片机对采集到的数据进行解算，进过两次积分运算还原出位移信息，与角度信息一起作为运动信息数据存储于缓存中并同时记录在数据存储单元中；

6.将缓存中数据通过无线传输模块进行传输，传输给上位机接收模块；

7.上位机接收模块接收数据，基于球拍的刚体特性，采用一种基于局部坐标系与三维空间坐标系转换的计算方法，计算得到拍头(击球处)的运动数据，后通过USB直接连接PC机等终端，进行保存等以备后续调用操作。转入步骤10；

8.如果上位机直接控制发送结束指令，则采集与通讯工作流停止，并退出程序，转入步骤11；

9.中央处理单元的单片机、加速度计、数字陀螺、信号调理单元、数据存储单元以及电源单元进行上电和初始化；

10.中央处理单元的单片机对采集到的数据进行解算，还原出位移及其角度信息，然后直接存储在数据存储单元闪存中；

11.关闭球拍电源。第一种工作模式至此结束，采用第二种工作模式可将闪存卡取出连接在上位机终端进行进一步运动数据分析处理。

前述的无线传感综合模块获得的是手柄(也即嵌入芯片处)的运动数据，进行运动数据分析、模拟仿真训练时以及人机交互时，较为重要的是需要获得拍头的运动数据，因为拍头是击球的部位，拍头的速度和拍面的角度决定了击球的效果。这里需要测量计算的拍头中心的基础运动数据为球拍中心的位置、姿态与速度，其他所有相关数据均可由基本数据计算推导得出。本发明提供了一种基于局部坐标系与三维空间坐标系转换，将球拍手柄(嵌入芯片处)的运动数据转换为拍头(击球处)运动数据的方法，具体方法如下：

由于传感器的厂商与型号不同可能会有不同的局部坐标系的定义方式，这里为了便于统一计算和应用，将三维世界坐标系和球拍本身的局部坐标系做统一规范处理。三维世界坐标系与球拍局部坐标系都基于笛卡尔直角坐标系的左手系，如图2所示。其中X，Y，Z表示三维世界坐标系，满足左手定则；X′，Y′，Z′表示球拍局部坐标系，其中z′轴沿着拍柄向拍头方向为正，满足左手系规范。两个坐标系存在着原点和旋转角度的差异。为了便于计算，实际应用中可以做一个简化处理，即将系统上电初始化时，可认为三维世界坐标系X，Y，Z与球拍的局部坐标系X′，Y′，Z′是重合的。随后所有采集后的运动数据都将被还原到一开始所建立的世界坐标系X，Y，Z中。而对于传感器所测量的得到的原始数据，就需要做一个简单的转换，例如某些型号数字陀螺所测量的角度基于右手坐标系，该角度值将与左手系的定义的角度存在正负反号的关系，由于各个厂商的芯片型号繁多，对于转换此处不一一列举。

首先基于捷联惯导系统的公知方法，由加速度计和数字陀螺所测量计算得到的Δx′，Δy′，Δz′、θ_X，θ_Y，θ_Z，计算得到球拍局部坐标系相对于世界坐标系的三个姿态角p、h、b，以及球拍局部坐标系原点相对于世界坐标系的坐标tx，ty，tz；其中姿态角p是球拍局部坐标系相对于世界坐标系X轴的旋转角度，h是球拍局部坐标系相对于世界坐标系Y轴的旋转角度，b是球拍局部坐标系相对于世界坐标系Z轴的旋转角度；由于捷联惯导系统的基础算法是公知的，因此本发明中对于拍局部坐标系相对于世界坐标系的三个姿态角p、h、b，以及球拍局部坐标系原点相对于世界坐标系的坐标，tx，ty，tz的计算过程不再给予详细叙述。

建立如图2的规范化统一坐标系后，设所嵌入的芯片的中心O′与拍头的中心距离为d，d作为一个变量根据不同的类型的球拍有不同的取值，实际应用中是作为一个可变的输入参数，而d值是根据已经设计好的球拍通过测量得到。为了便于表述将球拍局部坐标系下的坐标用(x′，y′，z′)表示，显然可以得到拍头中心C点的坐标为(0，0，d)。而在系统上电时，三维空间的世界坐标系与球拍局部坐标系重合，三维空间世界坐标系的坐标用(x，y，z)表示。

设球拍六自由度数据可表示为在世界坐标系下的位置坐标[x，y，z]和姿态角[p，h，b]。

设测量得到的球拍局部坐标系原点O′(实际为安装加速度计的部位)在三维世界坐标系的坐标为(tx，ty，tz)。

且定义：

$\mathrm{Rx}=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos p& \sin p\\ 0& -\sin p& \cos p\end{array}\right],$ $\mathrm{Ry}=\left[\begin{array}{ccc}\cosh & 0& -\sinh \\ 0& 1& 0\\ \sinh & 0& \cosh \end{array}\right],$ $\mathrm{Rz}=\left[\begin{array}{ccc}\cos b& \sin b& 0\\ -\sin b& \cos b& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

R_x，R_y，R_z即局部坐标系X′，Y′，Z′到三维空间世界坐标系X，Y，Z的旋转矩阵。

令R＝RzRxRy，作为总的旋转矩阵，则球拍局部坐标系与三维世界坐标系的坐标转换关系如式1：

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}& & & \mathrm{tx}\\ & R_{3\×3}& & \mathrm{ty}\\ & & & \mathrm{tz}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}^{\′}\\ y^{\′}\\ z^{\′}\\ 1\end{array}\right]---\left(1\right)$

将R展开，并x′，y′，z′)＝(0，0，d)带入式1，则在齐次坐标系下，拍头的中心处C点的世界坐标系下坐标。如式2所示：

$\left[\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}\cosh \cos b+\sinh \sin p\sin b& \sin b\cos p& -\sinh \cos b+\cosh \sin p\sin b& \mathrm{tx}\\ -\cosh \sin b+\sinh \sin p\cos b& \cos b\cos p& \sin b\sinh +\cosh \sin p\cos b& \mathrm{ty}\\ \sin \cos p& -\sin p& \cosh \cos p& \mathrm{tz}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ d\\ 1\end{array}\right]---\left(2\right)$

则拍头中心C点坐标即可得到。从而通过一次微分运算，可得到每一个时刻拍头沿世界坐标系三个轴向的速度，绝对速度也可以推导得到。

由于球拍是一个刚体，因此在三维空间坐标系下的姿态，拍头和拍柄是相同的。也是[p，h，b]。类似的，各个轴向的角速度也可以由一次微分运算得到，从而也可以推导得到绝对角速度。

拍头中心点C的运动数据，可记做一个数组(x_c，y_c，z_c，p_c，h_c，b_c)。其他所有的运动数据都可以根据位移，旋转角度推算得到。例如速度，角速度，加速度和角加速度等信息。这些信息可以提供给专业的运动数据分析和训练辅助，也可以用来进行人机交互。

本发明特别为多个使用者同时使用球拍进行运动采集数据采集的情况，设计一个用来存储多个用户球拍运动信息的动态链表，链表由上位机搜索匹配时进行动态创建。传感器的数据包中含有的SN这个唯一标识变量，将用以判断是否增加一个新的链表节点。每个链表节点数据结构中包含以下信息：一个类型为链表节点的指针，用以指向下一个链表节点；一组状态球拍击球部位中心点的运动信息M；唯一标识变量SN，并以函数调用方式获得链表的头节点和下一个节点。具体的链表中的各个节点设计成包括节点标识(long(idl))、球拍击球部位中心点运动信息、头节点指针Pfirst和下一个节点指针Pnext。

对于具体的每个无线传感综合模块进行子节点入网操作时，多用户的挥拍的运动信息的动态链表建立流程如图8所示，首先查询是否有子节点入网；如果存在对应的SN号，则查询链表，将数据包存入该S N号标识的节点；如果不存在对应的SN号，则判断链表是否为空，如果是，则创建链表表头，重新查询字节点入网；如果不为空，则添加新的链表节点；判断查询是否超时，如果超时则停止入网操作，如果不超时，则继续查询是否有字节点入网。

上述实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种用于测量球拍六自由度运动数据的方法，其特征在于：在球拍的手柄处嵌入无线传感综合模块，用于采集球拍手柄处的六自由度运动数据，并以无线方式传输给上位机接收模块；上位机接收模块根据球拍本身的局部坐标系向世界坐标系转换关系，计算得到球拍的拍头的运动数据。

2.根据权利要求1所述的一种用于测量球拍六自由度运动数据的方法，其特征在于：所述的局部坐标系为：以球拍手柄处嵌入加速度计的中心位置为原点，建立以手柄向拍头中心延伸方向为z轴的笛卡尔坐标系，满足左手系定则；世界坐标系是一种左手系的笛卡尔坐标系，系统初始化时，世界坐标系与球拍局部坐标系重合。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于测量球拍六自由度运动数据的方法，其特征在于：所述的坐标转换是通过如下方式进行的：

将球拍局部坐标系下的坐标用x′，y′，z′)表示，得到拍头中心C点的坐标为(0，0，d)，在系统上电时，三维空间的世界坐标系与球拍局部坐标系重合，三维空间的世界坐标系的坐标用(x，y，z)表示；首先基于捷联惯导系统的公知方法，由加速度计和数字陀螺所测量得到的Δx′，Δy′，Δz′和θ_X，θ_Y，θ_Z，得到球拍局部坐标系相对于世界坐标系的三个姿态角(p，h，b)以及球拍局部坐标系原点相对于世界坐标系的坐标(tx，ty，tz)；设需要测量的六自由度数据表示为在世界坐标系下的位置坐标[x，y，z]和角度姿态[p，h，b]，其中h表示绕世界坐标系y轴的旋转角度，p表示绕世界坐标系x轴旋转的角度，b表示绕世界坐标系z轴的旋转角度，定义：

$\mathrm{Rx}=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos p& \sin p\\ 0& -\sin p& \cos p\end{array}\right],$ $\mathrm{Ry}=\left[\begin{array}{ccc}\cosh & 0& -\sinh \\ 0& 1& 0\\ \sinh & 0& \cosh \end{array}\right],$ $\mathrm{Rz}=\left[\begin{array}{ccc}\cos b& \sin b& 0\\ -\sin b& \cos b& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

Rx，Ry，Rz即局部坐标系(X′，Y′，Z′)到三维空间世界坐标系(X，Y，Z)的旋转矩阵，

设测量得到的球拍局部坐标系原点在三维空间世界坐标系的坐标为(tx，ty，tz)，令R＝RzRxRy，作为总的旋转矩阵，则局部坐标系与世界坐标系的坐标转换关系如公式(1)：

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}& & & \mathrm{tx}\\ & R_{3\×3}& & \mathrm{ty}\\ & & & \mathrm{tz}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}^{\′}\\ y^{\′}\\ z^{\′}\\ 1\end{array}\right]---\left(1\right)$

将R展开，并将(x′，y′，z′)＝(0，0，d)带入公式(1)，则在齐次坐标系下，拍头的中心处C点的世界坐标系下坐标，如公式(2)所示：

$\left[\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}\cosh \cos b+\sinh \sin p\sin b& \sin b\cos p& -\sinh \cos b+\cosh \sin p\sin b& \mathrm{tx}\\ -\cosh \sin b+\sinh \sin p\cos b& \cos b\cos p& \sin b\sinh +\cosh \sin p\cos b& \mathrm{ty}\\ \sinh \cos p& -\sin p& \cosh \cos p& \mathrm{tz}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ d\\ 1\end{array}\right]---\left(2\right)$

则得到拍头中心C点坐标。

4.根据权利要求1所述的一种用于测量球拍六自由度运动数据的方法，其特征在于：所述的无线传感综合模块通过球拍手柄的端部嵌入手柄内部轴心线上，并且无线传感综合模块的几何中心与球拍拍头的中心位于球拍局部坐标系的z轴上。

5.根据权利要求1所述的一种用于测量球拍六自由度运动数据的方法，其特征在于：所述的无线传感综合模块采集球拍手柄处的六自由度运动数据具有两种工作模式，在开启球拍电源的时候进行选择，具体工作过程如下：

(1)开启球拍电源并选择工作模式，如果选择第一种工作模式，则转入步骤(2)，如果选择第二种工作模式则直接转入步骤(9)；

(2)下位机初始化，并为无线传感综合模块上电；

(3)开启上位机接收模块，进行无线搜索，匹配周围的存在无线传感综合模块，开始自组网工作；

(4)自组网成功并且通讯建立完毕后，上位机通过无线模块发送下位机开始数据采集指令；

(5)中央处理单元的单片机对采集到的数据进行解算，还原出位移及其角度信息，并作为体感信息数据存储于缓存中：获得球拍的三个坐标轴方向上的加速度，利用两次积分运算获得XYZ三个轴向上的位移；利用数字陀螺，检测出球拍绕三个轴的转动角度；

(6)中央处理单元将处理后的运动信息以及SN号传递给无线传输模块发送；

(7)上位机接收模块按照设定的周期，定时接收球拍中的无线传输模块发送的信息，并基于球拍局部坐标系与世界坐标系的转换关系，由拍柄的六自由度运动数据计算得到拍头的六自由度运动数据；

(8)如果上位机直接控制发送结束指令，则采集与通讯工作流停止，并退出程序，转入(11)；

(9)下位机初始化，中央处理器单元启动开始采集数据；

(10)中央处理单元的单片机对采集到的数据进行解算，还原出位移及其角度信息，然后直接存储在数据存储单元闪存卡中；

(11)关闭球拍电源，第一种工作模式结束，第二种工作模式还要将数据存储单元闪存卡取出连接在上位机终端进行进一步运动数据分析处理。

6.根据权利要求1所述的一种用于测量球拍六自由度运动数据的方法，其特征在于：无线传感综合模块含加速度传感器、角度传感器、信号调理单元、中央处理单元、无线传输模块、数据存储单元和电源单元；所述的加速度传感器为三轴加速度计，所述的角度传感器采用数字输出陀螺仪，所述的三轴加速度计的输出数据经过信号调理单元后，与数字输出陀螺仪输出的角度信号一起传给中央处理单元中的单片机，然后通过无线传输模块传给上位机接受模块，或者存储在数据存储单元中；所述的电源单元用于为加速度传感器、角度传感器、信号调理单元、中央处理单元、无线传输模块和数据存储单元提供电压3.267～3.333V稳定电源。

7.根据权利要求6所述的一种用于测量球拍六自由度运动数据的方法，其特征在于：无线传输模块采用ZigBee模块，无线传输模块包括发送和接收两部分，分别安装在无线传感综合模块以及上位机接收模块中，用于数据通信。

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