CN103157262B

CN103157262B - 一种可以实时采集自身运动参数的智能冰壶及方法

Info

Publication number: CN103157262B
Application number: CN201310084918.4A
Authority: CN
Inventors: 肖书明; 陈骐; 何伟; 王建明; 王学峰; 宣华
Original assignee: CHINA INSTITUTE OF SPORTS SCIENCE
Current assignee: CHINA INSTITUTE OF SPORTS SCIENCE
Priority date: 2013-03-18
Filing date: 2013-03-18
Publication date: 2015-07-08
Anticipated expiration: 2033-03-18
Also published as: CN103157262A

Abstract

本发明涉及一种可以实时采集自身运动参数的智能冰壶及方法。包括冰壶本体和冰壶把手，所述冰壶本体和冰壶把手之间设置有一个夹层，夹层中设置有数据采集模块，所述数据采集模块包括称之为陀螺仪的角速度传感器、加速度传感器、中央处理器、时间发生器以及一个无线传输电路，所述角速度传感器和加速度传感器设置在冰壶本体中心位置，角速度传感器、加速度传感器分别通过A/D转换电路连接至中央处理器，中央处理器与时间发生器和无线传输电路有线连接。本发明结构紧凑，不改变原冰壶的使用方法，实现了冰壶运动状态数据的自动化采集，对冰壶的运动状态有了一个实时的和量化的评价依据，可以帮助教练员和运动员提高技战术水平。

Description

一种可以实时采集自身运动参数的智能冰壶及方法

技术领域

本发明涉及体育运动数据采集领域，特别涉及一种可以实时采集自身运动参数的智能冰壶及方法。

背景技术

在冰壶运动中，运动员以冰壶为媒介进行团体对抗。对冰壶行进轨迹的控制是否精准，体现了运动员的技术水平高低，也直接影响了比赛的最终胜负。因此，如何能够更精细而全面地检测冰壶在冰道上行进时的运动学特性，成为教练员和运动员非常关心的问题。

一个典型的场景是：由于对方已经在营垒前方布置了一个阻挡壶，造成后续冰壶沿直线路径无法到达预定目的地，所以掷壶手需要精确地掷出一个沿弧线形路径行进的冰壶，从而能够绕过对方的阻挡壶。在包括上述场景的所有情况中，冰壶的直线速度、旋转方向以及旋转速度，在很大程度上确定了最终的战术结果。如果掷壶手能够在冰壶出手瞬间获知冰壶的各种运动参数，则其可以有效地改进自己的动作，提高自己的技术水平。另外，刷冰运动员也希望能精确地了解自己的刷冰动作对冰壶的运动所产生的影响。从中可以看出，对冰壶运动参数的实时监视和测量是非常重要的。

对于类似于冰壶运动参数实时获取的问题，目前通常采用运动捕捉系统来解决。运动捕捉系统通过捕捉目标物体所具有的光、声音、电磁波等特征信号，可以实时地获得目标物体的位置、速度等运动参数。目前的运动捕捉系统可以大致分为机械式跟踪系统，电磁式跟踪系统，声学跟踪系统和光学式跟踪系统。这些系统的精度、延迟、更新率、有效跟踪范围各不相同，其中最典型的是光学式运动捕捉系统，目前已经成功应用在从虚拟现实、体育到医学等多种场合。但是这些系统或技术均存在时间延迟大，或者精度低、有效工作范围小、价格昂贵、友善性差等问题，因此无法应用在冰壶运动参数获取的场合。

因此，目前很需要一种能够在诸如冰壶等体育领域训练中使用的精度高、有效工作范围大、时间延迟小、更新速率高、友善性好、且同时便于在室内和户外环境下应用的运动捕捉技术。

发明内容

为解决上述技术的问题，本发明提出一种可以实时采集自身运动参数的智能冰壶及方法，通过在冰壶上设置一个角速度传感器、三轴加速度传感器、磁力计，以及一个无线传输电路，将冰壶的运动参数数据实时传输至在运动场边设置的数据接收分析电脑，进而实现对冰壶运动参数数据进行实时的采集分析。

本发明的目的是这样实现的：

一种可以实时采集自身运动参数的智能冰壶，包括冰壶本体，所述冰壶本体上设置有冰壶把手，其中，所述冰壶本体和冰壶把手之间设置有一个夹层，夹层中设置有数据采集模块，所述数据采集模块包括称之为陀螺仪的角速度传感器、加速度传感器、中央处理器、时间发生器以及一个无线传输电路，角速度传感器和加速度传感器分别通过A/D转换电路连接至中央处理器，中央处理器与时间发生器和无线传输电路线连接。

进一步，所述角速度传感器和加速度传感器均设置在冰壶本体水平中心位置。

进一步，所述加速度传感器是二轴或三轴加速度传感器，若为二轴加速度传感器则二轴加速度传感器的两个轴平行于冰壶的下端面且两个轴互相正交；若为三轴加速度传感器则其中一个感测轴垂直于冰壶的下端面，另外两个轴平行于冰壶的下端面，且三个感测轴互相正交。

进一步，所述角速度传感器是单轴或三轴角速度传感器；若为单轴角速度传感器则其感测轴垂直于冰壶的下端面；若为三轴角速度传感器则其中一个感测轴垂直于冰壶的下端面，另外两个感测轴平行于冰壶的下端面，且三个感测轴应相互正交。

进一步，所述夹层中还设置有用于校正加速度传感器和角速度传感器参数变化的温度传感器。

进一步，所述夹层中还设置有与角速度传感器进行互补测量的三轴磁力计，三轴磁力计的感测轴彼此正交。

进一步，所述夹层通过胶粘或螺栓连接的方式固定在冰壶本体上，夹层的外壁与数据采集模块的电路组件之间设有作为减震缓冲材料的橡胶垫圈，另外在夹层内空腔表面设有绝缘覆盖层。

一种基于所述智能冰壶的冰壶在整个运动过程中的运动状态数据采集处理方法，包括所述智能冰壶和无线信号接收处理装置，在所述智能冰壶夹层中设置有三轴磁力计，其中，在所述智能冰壶被投掷手从预备静止状态经滑动直至投出，然后再到运动停止的全过程中，以一定的频率连续采集冰壶自身相对于惯性空间的角速度数据、加速度数据，以及冰壶相对于地磁场的朝向角数据，将采集到的所述三种数据加上采样时刻时间戳并传送至无线信号接收处理装置，所述无线信号接收处理装置采用捷联惯性导航算法获取各采样时刻智能冰壶相对于冰道坐标系的角速度和加速度，并以适当的时间单位连续将角速度与加速度列出显示。

进一步，所述方法进一步是以冰壶在预备静止状态时所处的位置为原点，根据获取的各采样时刻的传感器数据推算出智能冰壶的运动轨迹曲线，然后将该轨迹曲线连同各个运动参数的数值变化一并显示出来。

进一步，所述一定的频率调整范围是从每秒100次到每秒4000次。

本发明对现有技术的贡献是：本发明结构紧凑，不改变原冰壶的使用方法，实现了冰壶运动状态数据的自动化采集，对冰壶的运动状态有了一个实时的和量化的评价依据，可以帮助教练员和运动员提高技战术水平。

下面结合实施例和附图对本发明做一详细描述。

附图说明

图1是本发明智能冰壶整体外形示意图；

图2是本发明智能冰壶电路布局示意图；

图3是本发明电路逻辑框图。

具体实施方式

实施例1：

一种可以实时采集自身运动参数的智能冰壶实施例，参见图1、图2和图3，所述智能冰壶包括冰壶本体1，所述冰壶本体上设置有冰壶把手2，其中，所述冰壶本体和冰壶把手之间设置有一个夹层3，夹层中设置有数据采集模块，所述数据采集模块包括称之为陀螺仪的角速度传感器4、加速度传感器5、中央处理器6、时间发生器7以及一个无线传输电路8，所述角速度传感器和加速度传感器均设置在冰壶本体中心位置，角速度传感器和加速度传感器分别通过A/D转换电路9连接至中央处理器，中央处理器与时间发生器和无线传输电路线连接，所述的数据采集模块安装在夹层中设置的线路板12上。

实施例中，所述加速度传感器是二轴或三轴加速度传感器，若为二轴加速度传感器则二轴加速度传感器的两个轴平行于冰壶的下端面，且两个轴互相正交；若为三轴加速度传感器则其中一个感测轴垂直于冰壶的下端面，另外两个轴平行于冰壶的下端面，且三个感测轴互相正交。

实施例中，所述角速度传感器是单轴或三轴角速度传感器；若为单轴角速度传感器则其感测轴垂直于冰壶的下端面；若为三轴角速度传感器则其中一个感测轴垂直于冰壶的下端面，另外两个感测轴平行于冰壶的下端面，且三个感测轴应相互正交。

实施例中，所述夹层中还设置有用于校正加速度传感器和角速度传感器参数变化的温度传感器10。

实施例中，所述夹层中还设置有与角速度传感器进行互补测量的三轴磁力计11，三轴磁力计的感测轴彼此正交。

实施例中，所述夹层通过胶粘或螺栓连接的方式固定在冰壶本体上，然后以壶栓将冰壶把手、夹层和冰壶本体连接起来。夹层的外壁与数据采集模块的电路组件之间设有作为减震的橡胶垫圈或其他减震缓冲材料，这些缓冲材料用以保护前述电路组件，避免其因冰壶间的碰撞而损坏。另外在夹层内空腔表面设有绝缘覆盖层。

实施例2：

本实施例为一个具体实施例，智能冰壶的尺寸及外形与通常使用的冰壶基本相同，为一个具有内凹的上表面和下表面的椭球体。其周长约为91.44厘米，高度约为13.43厘米，重量大约为20公斤。根据实际用户的需要，其尺寸及形状可以在世界冰壶联合会（ICF）规定的范围内进行调整。

在本实施例中，智能冰壶通过对一个原有的冰壶进行改造而得到。智能冰壶机械结构的组成部分包括壶体、手柄组件、壶栓（连接壶体与手柄的竖直方向长螺栓）和圆盘状的夹层外壳，其中壶体、手柄组件和壶栓为原有冰壶的组成部件，夹层外壳是专门设计制作的新器件。该夹层外壳外径约为210毫米，其厚度约为15毫米, 材料可能为金属、木材、工程塑料或其他坚固材料。在夹层外壳的水平上表面，被加工出一个与夹层外壳同心的圆柱形凹槽。圆柱形凹槽的下壁中央，存在一个与夹层外壳同心的通孔，用来容纳壶栓。中间夹层的安装方法为：首先使用胶粘或螺栓连接的方法将夹层外壳连接到壶体上，然后再以壶栓将壶体、中间夹层与手柄组件固定为一体。按照上述方法得到的智能冰壶足够坚固，可以适应冰壶比赛中的各种碰撞情况。除上述方式之外，也能够以其他方式实现智能冰壶的机械结构，而不影响本发明的精神和范围。

夹层外壳与手柄组件共同形成一个封闭的圆柱形空腔，该空腔中放置了作为数据采集模块的电路组件。该电路组件上安装了多个特定的传感器和电子器件，用来提供如下数据：冰壶的位置随时间而变化的情况，以及冰壶在各个时刻的温度。电路组件通过胶粘或扣紧件的方式固定在空腔中。空腔的尺寸可以根据电路组件的形状而改变，进行改变的前提是要保证夹层外壳的侧壁和下壁足够厚，以保护电路组件在智能冰壶和其他冰壶碰撞时免受破坏，并且能够赋予智能冰壶以适宜重量。

智能冰壶的电路组件包含各种传感器（用来收集关于冰壶的数据）和辅助电子器件，这些器件包括一个微控制器，一组存储器（包含易失性存储器，可以是SRAM等器件，以及非易失性存储器，可以是Flash等器件），一组传感器，一个电源系统，用来提供各个电子器件所需能量的9伏电池（只为说明之用，具体数值不具备实质意义），以及一个I/O通信端口。这个通信端口可以是一个无线通信端口。通过使用该通信端口，可以在冰壶运动过程中实时地将所收集到的数据传输到一个外部计算设备（例如一台PC机）。

为了确保智能冰壶内的重要数据的安全，可以通过修改程序的方式，使冰壶内的微控制器在工作中实时地将通过传感器所收集的数据保存在非易失性存储器中。非易失性存储器的特征在于，即使智能冰壶因异常原因（比如系统断电）而发生系统崩溃，其内部保存的数据也不会丢失。在训练或比赛结束后的特定时刻，非易失性存储器中的数据可以通过I/O端口下载到一个外部计算设备中。这个I/O端口可以是无线通信端口，也可以是一个电气插座（例如USB插口或类似插座）。在通过电气插座进行下载的情况中，需要以一条通信线将智能冰壶连接到外部计算设备。这种引入非易失性存储器的方法，可以大大提高智能冰壶内重要数据的安全系数。

电路组件上的各个传感器被连接到微控制器，以在特定的时间周期内收集冰壶的相关数据。在这一点上，可以使用各种不同传感器，例如，由多个单轴的微机电（MEM）加速度计（或单独的多轴加速度计）感测冰壶的运动状态变化，由多个单轴MEM陀螺仪（或单独的多轴陀螺仪）以及多个单轴磁力计（或单独的多轴磁力计）提供冰壶相对于冰道坐标系的三个参考角，由一个含有热电阻的温度传感器感测冰壶所处位置的温度。

众所周知，要将多个传感器（加速度计、陀螺仪、磁力计、温度传感器）连同所需的辅助电子器件（微控制器、I/O、存储器、电源）集成在一起是很困难的。在电路组件的设计中增加了滤波器、模拟数字转换器（ADC）和I/O等用于支持传感器工作的器件。电路组件的设计足够坚固，能够适用冰壶的比赛环境。并且电路组件可以在只消耗很少能量的条件下收集所需的数据。该设计还必须提供足够的功能，以便为用户提供多个工作模式（例如采集、等待，然后采集、休眠、传输数据等）。

微控制器（或者微处理器）为解决这个难题提供了一个良好的基础。实施例中所使用的微处理器是Farnell C8051F020，它具有如下的技术参数：电压范围：2.7V~3.6V；转换器：12位；最高时钟频率：25MHz；片内RAM：4Kbyte；支持的最大外部内存：64Kbyte；支持RS232和I2C。为了收集测试数据，微控制器还连接了其他几个部件：诸如放大器，参考电压，DC-DC转换器，实时时钟，工作于2.4GHz的无线收发器，RS232接口，以及充足的SRAM。

智能冰壶的电路组件被实现为一个圆形的PCB（Printed Circuit Board，印制电路板）母板。在该PCB母板上布置了多个集成电路和分立的半导体器件，以及若干个独立的小型PCB板/电路。这些小型的PCB电路包括多种传感器电路和无线I/O电路。加速度测量使用加速度计作为感测器件，朝向角的测量使用陀螺仪和磁力计作为感测器件。在加速度计、陀螺仪和磁力计三种传感器中，加速度计和陀螺仪采集数据的准确性随它们在PCB板上的位置而不同，为了提高参数测量的准确性，需要使加速度计和陀螺仪的安装位置尽量靠近冰壶的自转轴（冰壶垂直其下表面的中心线）。针对上述情况，加速度计和陀螺仪各自被安装在独立的小型PCB板上。将这两个PCB板以捆扎或胶粘的方式分别固定在壶栓上，然后分别通过软线与PCB母板相连。冰壶相对地磁场方向的测量值的准确性与磁力计在PCB板上的安装位置无关，因此磁力计无需靠近冰壶的自转轴安装，可以将磁力计芯片焊接于PCB母板上任意位置。智能冰壶具备测量三个轴或两个轴的加速度数据的能力。在测量三个轴的加速度数据的情况中，可以使用单独的三轴加速度计，也可以使用三个单轴的加速度计，或者采用其他实现方式。上述各种实现方式中的三个感测轴均彼此正交，且其中一个感测轴垂直于冰壶的下表面，另外两个感测轴平行于冰壶的下表面。如果假定冰壶在运动时，其在垂直于冰道的方向不会发生位移，则可以只测量两个轴的加速度数据，此时可以使用单独的二轴加速度计，也可以使用两个单独的加速度计。上述各种实现方式中的两个感测轴均彼此正交，且都平行于冰壶的下表面。智能冰壶具备三个轴或一个轴的角速度的测量能力。在测量三个轴的角速度的情况中，可以使用单独的三轴陀螺仪，也可以使用三个独立的单轴陀螺仪，或者采用其他实现方式。上述各种实现方式中的三个感测轴均彼此正交，且其中一个感测轴垂直于冰壶的下表面，另外两个感测轴平行于冰壶的下表面。在假定冰壶只绕其自转轴（冰壶垂直其下表面的中心线）发生转动的前提下，可以只测量冰壶绕其自转轴的角速度数据，此时只使用一个单轴陀螺仪。磁力计具备三个轴的磁场强度的感测能力，这三个感测轴彼此正交，其中一个感测轴垂直于冰壶的下表面，另外两个感测轴平行于冰壶的下表面。此外，在能提供合适的精度的前提下，还可以使用集成的同时提供两种数据的芯片（比如集成了加速度测量功能和角速度测量功能的芯片，或者集成了加速度测量功能和地磁场测量功能的芯片），安装方法就更加简单。在上述加速度计、陀螺仪和磁力计的感测轴数不同的各种实现方式中，各传感器的对应感测轴均平行且同向，且所有传感器的感测中心均处于同一个平面内（至少保证加速度计的感测中心和磁力计的感测中心位于同一平面内，并使陀螺仪的感测中心尽量接近这个平面），该平面平行于冰壶的下表面，称为感测平面。感测平面与冰壶自转轴的交点，称为冰壶的中心点。在每种物理参数均感测三个轴的数据的情况下（智能冰壶需感测X、Y、Z三个轴向的加速度，需感测X、Y、Z三个轴向的朝向角，等等），则所有感测器件（加速度计、陀螺仪和磁力计）的相应感测轴（X轴、Y轴、Z轴）分别平行并同向，共同的X轴和Y轴均位于感测平面内且彼此正交。共同的Z轴垂直于感测平面，且正方向为从冰壶的下表面指向其上表面的方向。共同的Y轴平行于冰壶的壶柄，正方向为壶柄的反方向，即从冰壶手柄的末端指向其固定端的方向。以冰壶的中心点为原点O_C，建立右手直角坐标系。该坐标系的Y轴和Z轴分别与感测器件的共同的Y轴、Z轴平行且同向。由该坐标系的右手直角坐标系属性，以及Y轴、Z轴的定义方式，可以确定X轴的正方向。以上述方法定义的坐标系，称为冰壶坐标系（O_CX_CY_CZ_C）。以这种方式定义冰壶坐标系，是为了后续数据处理和显示的方便。冰壶坐标系的定义方法，适用于智能冰壶的所有实现方式。理想的安装方式是使加速度计及陀螺仪的感测中心重合于冰壶坐标系的原点，感测轴重合于冰壶坐标系的各个坐标轴。在该目标无法达到的情况下，则使加速度计和陀螺仪的Y感测轴均与冰壶坐标系的Y轴平行且同向，Z感测轴均与冰壶坐标系的Z轴平行且同向，而X感测轴完全重合且通过冰壶坐标系的原点O_C，这是为了便于补偿因传感器感测中心偏离冰壶自转轴而造成的误差。在加速度计感测2个轴，陀螺仪感测1个轴，磁力计感测3个轴的情况下，则使加速度计的X轴重合于磁力计的X轴，加速度计Y轴重合于磁力计的Y轴），加速度计和陀螺仪的Z轴重合于磁力计的Z轴。其他情况依此类推。最后，通过调整圆形PCB母板上各个元件的安装位置，使得各个元件的质量在整个PCB母板上大致均匀地分布，且质量大的器件尽量在PCB母板的内侧分布。上述措施可以使智能冰壶的转动惯量与改造前的常规冰壶保持相同。另外可以采取其他措施，使智能冰壶的总重量尽量接近改造前的常规冰壶的总重量。通过采取上述措施，降低安装测量器件对冰壶本身运动特性的影响。

在工作中，冰壶所受到的冲击可以超过700G（1G=9.81m/s2）。为了保护电路组件，在智能冰壶中可能要使用缓冲器件，比如在用来固定PCB板的紧固件上增加橡胶垫圈，以及使用减震缓冲材料。这些缓冲材料都起到吸收冲击的作用，并且它们不会损坏电子部件，也不会干扰电路组件的数据采集过程。为了预防电气短路问题造成的风险，空腔的内表面以绝缘胶带做成绝缘的覆盖层。

实施例3：

一种基于所述智能冰壶的冰壶在整个运动过程中的运动状态数据采集处理方法，包括实施例1所述智能冰壶和无线信号接收处理装置，在所述智能冰壶夹层中设置有三轴磁力计，其中，在所述智能冰壶被投掷手从预备静止状态经滑动直至投出，然后再到运动停止的全过程中，以一定的频率连续采集冰壶自身相对于惯性空间的角速度数据、加速度数据，以及冰壶相对于地磁场的朝向角数据，将采集到的所述三种数据加上采样时刻时间戳并传送至无线信号接收处理装置，所述无线信号接收处理装置采用捷联惯性导航算法获取各采样时刻智能冰壶相对于冰道坐标系的角速度和加速度，并以适当的时间单位，即以秒或毫秒为时间单位连续将角速度与加速度列出显示。

实施例中，所述方法进一步是以冰壶在预备静止状态所处的位置为原点，根据获取的各采样时刻的传感器数据推算出智能冰壶的运动轨迹曲线，然后将该轨迹曲线连同各个运动参数的数值变化一并显示出来。

实施例中，所述一定的频率可以随使用要求而加以调整，调整范围是从每秒100次到每秒4000次。

系统时钟允许智能冰壶收集的所有数据都带有时间戳。该时钟可以用来调整冰壶采集数据的频率，并且可以用来实现各种精确的分析功能。虽然实施例中的最高的采样速率可以达到4kHz，但是最初的测试是按照100Hz的频率完成的。存储器使得智能冰壶可以保存收集到的数据。在采集频率为100Hz时，智能冰壶最长可以连续收集大约90分钟的数据。在采集频率为4kHz时，智能冰壶可以连续收集大约2分钟的数据。

智能冰壶支持与其他数据采集系统进行同步数据采集。使用同步数据采集，可以做到在整个数据采集周期内，智能冰壶的所采集的数据的采样时刻与一同工作的其他系统所采集的数据的采样时刻精确相等。智能冰壶对同步数据采集功能的支持，为多种来源的数据的联合分析奠定了基础。

智能冰壶数据采集的核心是微控制器。各种数字或模拟的数采芯片被同时连接到微控制器和感测器件上。SRAM芯片和Flash芯片被连接到微控制器以保存数据。串行通信系统以及无线I/O也被连接到微控制器。当具备了适当的软件后，微控制器就可以在一个数据收集周期内按照指令进行数据的收集、保存和传输。通过改变微控制器内的指令，可以使电子系统执行其他的任务。

通过使用由各种传感器所收集到的数据，可以依照已知的物理定律来确定每个冰壶的位置、直线速度、旋转速度等运动参数，以及作用在每个冰壶上的力和冲量。温度传感器用来抵消因温度变化而导致的加速度计、陀螺仪、磁力计等传感器的参数变化。

在本实施例中，安装磁力计的目的在于提高智能冰壶所采集的运动参数的精度。因为磁力计的工作原理是通过探测周围的磁场，来确定器件自身相对于地球磁场的方向。磁力计输出的数据零漂很低，但是无法感知待测目标的直线运动，因此磁力计、加速度计和陀螺仪可以实现互补。

在智能冰壶中使用磁力计的局限性在于，磁力计的感测结果受其周围磁性物质的干扰比较大。尤其是在磁力计周围有软磁性物质时，对测量结果进行补偿的难度非常大。因此，在使用磁力计的情况下，则在冰壶的组成部件中避免使用磁性材料，包括磁铁等硬磁材料以及含有铁元素的软磁材料。例如，将冰壶内的钢壶栓换成其他非磁材料制成的螺栓，以及保证在冰壶运动的路径附近没有磁性物质等。同时尽量采用更有效的滤波算法，以减轻外部杂散磁场或磁性物质的干扰。在外部磁干扰很强，以至于智能冰壶所获得的数据严重失真的情况下，本系统可以选择切断磁力计，即只使用加速度计和陀螺仪获取的数据进行冰壶运动参数推算工作。

在使用各种传感器的数据进行智能冰壶运动参数推算工作时，会涉及到前述的冰壶坐标系和冰道坐标系的关系。冰壶坐标系为与冰壶固连的坐标系。当冰壶在冰道上运动时，冰壶相对于冰道不断发生平移和旋转，这些状况也正是人们在对冰壶的运动状态进行分析时所关注的内容。与冰壶的平移和旋转相对应，冰壶坐标系相对于冰道坐标系的位置和朝向也经历持续变化。而智能冰壶上的传感器所采集到的加速度数据和角速度数据都是相对于惯性空间的数值，理论上并不能直接反映冰壶相对于冰道的运动状态（这里的传感器只包括加速度计和陀螺仪，磁力计不存在这个问题）。因此，智能冰壶上的传感器所输出的加速度和角速度数据，必须换算成相对于冰道坐标系的数据才有意义。由基本的力学原理可知，惯性坐标系（对惯性空间的描述）和冰道坐标系（相当于地理坐标系）之间具有一定的数量关系，因此相对于惯性空间的加速度数据和角速度数据可以转化成相对于冰道坐标系的相应数据。这个换算过程，将在后续的捷联惯性导航算法部分说明。

确定前述的冰道坐标系的方法：首先确定冰道坐标系三个轴的正方向，X轴正方向为平行于冰道底线水平向右，Y轴的正方向为沿平行于本垒和营垒中心点的连线且从本垒指向营垒，Z轴的正方向以Z轴与X轴和Y轴成x-y-z右手直角坐标系的方法确定，可知Z轴的正方向为垂直冰面向上。然后确定冰道坐标系的原点，以掷壶手左后方的冰道的端点为起始点，将起始点沿Z轴正方向平移一段长度，平移的数值等于当冰壶水平静止于冰面时，冰壶坐标系中的原点O_C到冰面的距离。然后沿X轴正方向平移一段长度，平移的数值等于冰壶水平切面最大圆的半径。然后沿Y轴正方向平移一段长度，平移的数值等于冰壶水平切面最大圆的半径。以三次平移后得到最终点作为冰道坐标系的原点O_R，然后再以上述的X轴正方向，且穿过原点O_R，建立冰道坐标系的X轴，记为X_R。以上述的Y轴正方向，且穿过原点O_R，建立冰道坐标系的Y轴，记为Y_R。以上述的Z轴正方向，且穿过原点O_R，建立冰道坐标系的Z轴，记为Z_R。根据上述定义方法，可以推出智能冰壶在预备静止状态下其中心点在冰道坐标系Z_R轴上的初始坐标值为零，且在冰壶中心点在整个运动过程中基本位于Z_R=0的平面上。

进行智能冰壶运动参数推算的具体过程为：在智能冰壶的工作中，冰壶内部的电路组件可以与一台外部计算机（PC）以无线方式进行通信。若假设在一个特定时刻智能冰壶相对于冰道坐标系的初始位置为已知的话，则可以用遥测数据来推算冰壶的将来（下一个）位置，并进而得知冰壶所经过的路径。这些遥测数据是通过加速度计、陀螺仪和磁力计得到的，其形式为惯性加速度、冰壶朝向角（翻滚、俯仰和偏航）的变化速度以及冰壶相对于地磁场的朝向角。在这一点上，需要对冰壶的加速度、角速度以及相对于地磁场的朝向角进行不间断的周期性采样。使用智能冰壶所收集到的数据可以确定多个物理量。首先，应该补偿因加速度计的安装位置偏离冰壶自转轴而导致的加速度测量值偏差，这个补偿可以通过下面的方程实现（参见王志伟《理论力学》，机械工业出版社，2006.08）：

(1)

上式中的a_curl为冰壶自转轴处的加速度（相对于绝对惯性坐标系）。a_sensor为冰壶上的加速度计所测得加速度数值（加速度计与冰壶自转轴的空间位置存在的微小的偏差，即加速度计感测中心和冰壶自转轴间的相对矢径）。ω为由冰壶上的陀螺仪所测得的三维角速度矢量。

使用捷联惯性导航算法，进行冰壶路径推算（参见秦永元《惯性导航》，科学出版社，2006）。捷联惯性导航算法中的路径推算涉及到迭代进行旋转四元数运算，以及从包含了冰壶所有姿态信息的旋转四元数中获取冰壶相对于冰道坐标系的航向角、俯仰角和横滚角。

旋转四元数Q的构造方法为

（2）

上式中，u^R为冰壶相对于冰道坐标系发生旋转时的旋转瞬轴和旋转方向，其分量表示方式为

（3）

θ为冰壶相对于冰道坐标系发生旋转时转过的角度，i₀、j₀、k₀为冰道坐标系坐标轴方向的单位向量，q₀、q₁、q₂、q₃为旋转四元数Q的四个分量，其确定方法为

（4）

上式中，θ为由冰道坐标系转换至冰壶坐标系时所要旋转的角度。

在捷联惯性导导航算法中，需要设定初始时刻的冰壶坐标系与冰道坐标系重合，这样就使得冰道坐标系不同于冰道坐标系。在使用简单的辅助技术手段确定冰壶坐标系相对于冰道坐标系的初始位置（x₀，y₀，z₀）和姿态（θ₀，γ₀，Ψ₀）后，这两个坐标系之间的区别可以通过一个简单的坐标变换消除。确定冰壶在冰道上的初始位置的技术手段将在后面介绍，即冰壶对准操作。

下面介绍确定初始时刻的冰壶坐标系的方法。主要是通过冰壶的初始姿态矩阵，即冰壶相对于冰道坐标系的姿态矩阵，解算出初始时刻的旋转四元数Q₀。而冰壶的初始姿态矩阵的表示方式为

（5）

上式中，T_ij（i,j=0,1,2,3）是与冰壶相对冰道坐标系的姿态有关的固定数值，在系统对准时通过简单的辅助技术手段获得。

初始时刻的旋转四元数Q₀通过公式（6）、公式（7）确定

（6）

（7）

式（5），式（6）中的T_ij（i,j=1,2,3）由公式（4）确定。

当冰壶不断运动时，其相对冰道坐标系的姿态也不断变化，表现为旋转四元数的不断变化。旋转四元数的更新矩阵由下式确定

（8）

上式中，I为3x3的单位矩阵，Φ在冰壶在（k+1）时刻针对（k）时刻旋转的角度，U由如下公式确定

（9）

上式中，l、m、n的含义与公式（3）中的l、m、n相同。

另外一个重要过程是根据陀螺仪所测得的角速度确定四元数在每个时刻的变化速率，由如下微分方程确定

（10）

（11）

上式中的Q为某个时刻冰壶相对于参考系的旋转四元数。和ωx，ωy，ω_z为冰壶在特定时刻相对冰道坐标系的角速度，它们之间的关系可以由下式表示

（12）

为陀螺仪原始角速度克服了冰壶相对地球位置速率和地球自转速率的数值，在智能冰壶系统中，地球位置速率和地球自转速率的影响都非常小，可以忽略不计。因此，其中为陀螺仪原始输出的角速度。

在确定了旋转四元数Q随时间的变化情获得冰壶在每个时刻相对于冰道坐标系的姿态（θ，γ，Ψ）。冰壶姿态（θ，γ，Ψ）通过公式（5）、公式（13）、公式（14）确定

（13）

（14）

在确定冰壶每个时刻相对于冰道坐标系的姿态之后，冰壶位置x_curl(t)和速度v_curl(t)可以用如下方程求出：

（15）

（16）

在公式（15）（16）中，为冰壶相对冰道坐标系的三维坐标矢量，为初始时刻冰壶相对冰道坐标系的三维坐标矢量，为冰壶相对冰道坐标系的三维直线速度矢量，为初始时刻冰壶相对冰道坐标系的三维直线速度矢量，为冰壶相对冰道坐标系的三维直线加速度矢量, 来源于冰壶上的加速度计，其绝对值由公式（1）确定，其相对冰道坐标系的方向由冰壶姿态（θ，γ，Ψ）确定。

在冰壶的质量和加速度被确定之后，用如下公式计算出作用在冰壶上的外力F_curl

（17）

上式中的m_curl，a_curl分别为智能冰壶的质量和加速度。

在根据前述数据（所采集到的冰壶加速度计、陀螺仪数据、磁力计数据，以及冰壶的初始位置）推算冰壶的运行路径时，可以采用特定的滤波算法对各个传感器数据进行滤波处理，然后对滤波后的数据进行融合处理，即对不同来源的数据加以正确的关联，以提高智能冰壶所给出的自身运动参数的精确性。上述的滤波算法可以是卡尔曼滤波、巴特沃斯滤波，或者根据各种传感器时域/频域特性而设计的其他滤波器。

在未适当确定智能冰壶相对于冰道的初始位置和姿态情况下，智能冰壶会得到扭曲的观察结果，因此在将智能冰壶投入实际工作并测量数据之前，需要执行对准操作。对准操作包含三个单独的子操作：第一个子操作是确定智能冰壶在滑行前的预备静止状态下在前述的冰道坐标系中的坐标（x₀，y₀，z₀），第二个操作是确定智能冰壶在滑行前的预备静止状态下相对于冰道坐标系的姿态（θ₀，γ₀，Ψ₀），第三个操作是确定冰道所处的地理坐标系中的位置。其中前两个子操作对智能冰壶测试精度的影响比较大，且是每次掷壶都可能会变化的，而第三个子操作对智能冰壶测试精度的影响很小，基本可以忽略不计，因此重点说明前两个子操作。

对准操作的第一个子操作需要确定智能冰壶在冰道坐标系中的坐标（x₀，y₀，z₀）。由冰道坐标系的定义可知，在静止状态下，智能冰壶的z₀值为0，所以只需测定x₀和y₀。测定x₀和y₀可以使用仪器测量法和预制坐标网格法中的一种，或者两种方法的结合。仪器测量法是指当冰壶处于预备静止状态时，由场地中的工作人员通过激光测距仪等手段获得冰壶在冰道坐标系中的x₀和y₀，并通过人工或自动的方式将这些初始值输入进行冰壶运动参数推算的外部计算设备。预制坐标网格法是指在起滑架之前可能是冰壶初始位置的区域，预先以染色的方法或其他的方法在冰面上制作成便于分辨且不易磨损的刻度网格，该刻度网格的刻度值为相对于冰道坐标系的原点而制定。当智能冰壶处于预备静止状态时，冰壶会占据刻度网格中的某个位置。工作人员通过冰面上的刻度值读出冰壶所处的位置，并输入外部计算设备，即得到智能冰壶在冰道坐标系中的初始坐标。

对准操作的第二个子操作需要确定智能冰壶相对于冰道坐标系的姿态（θ₀，γ₀，Ψ₀）。由冰道坐标系的定义可知，在静止状态下，智能冰壶绕冰道坐标系X轴的偏转角θ₀和Y轴的偏转角γ₀都为0度，因此只需测定智能冰壶绕冰道坐标系的Z轴的偏转角Ψ₀。智能冰壶绕Z轴的偏转角Ψ₀可以按如下方法测量：首先用一个测向装置来测定冰道坐标系Y轴相对于地磁场水平分量的偏角，该测向装置安装一个磁力计，并且其磁力计的安装方式与智能冰壶上的磁力计安装方式完全相同（磁力计的X轴、Y轴、Z轴与测向装置自身的X轴、Y轴、Z轴的关系角，以及智能冰壶上的磁力计的各感测轴与冰壶自身的坐标轴的关系，两个关系完全相同）。测量时使测向装置的X轴、Y轴、Z轴分别与冰道坐标系的对应轴重合，然后测量测向装置的Y轴相对于地磁场水平分量的偏角。然后在预备静止状态下测定智能冰壶的Y轴相对于地磁场水平分量的偏角。上面所测得的两个偏角之间的差异，即为智能冰壶相对于冰道坐标系的姿态角Ψ₀。

外部计算设备与若干个电子屏幕（至少一个）相连，该屏幕的尺寸足够大，且其安装方式便于冰壶运动员（包含掷壶手和刷冰手）在完成技术动作的同时看清屏幕上的内容。在智能冰壶实时地将采集到的数据传输到该外部计算设备之后，由该外部计算设备对这些数据进行处理，获得冰壶相对于冰道坐标系的运动参数（包含但不限于：冰壶在每个采样时刻的三维坐标、三维直线运动速度、三维直线加速度、三维姿态角、三维角速度、三维角加速度、冰壶的受力大小及方向），然后通过上述屏幕实时显示出上述运动参数，并以图形的方式标示出冰壶的运动路径。上述运动路径的显示方式，可以根据运动员的习惯进行现场调整。针对这些运动学参数的数值，能够以在屏幕上显示出相应的评价信息。

本实施例具备根据冰壶在掷壶过程中运动情况来预测其后续的运动情况的功能。该功能包括 1. 根据冰壶在掷壶过程中的运动方向，预测其在出手后的运动路径；2. 根据冰壶在掷壶过程中的受力大小，预测其从出手到停止运动之间的运动路径总长度。这个预测功能连同冰壶的标号功能，使本系统成为冰壶项目技术训练的重要的基础设施。

上述的技术训练包括但不限于，使冰壶具备对场上某个静止目标（包括其他已掷出的冰壶或营垒中心等位置）的辅助瞄准功能，在掷壶手掷壶过程中，系统根据投掷中冰壶的运动参数和静止目标的坐标，评估冰壶运动方向与该目标的符合程度，以及根据掷壶手所运用的力量大小，推算投掷中冰壶可能的总路径长度，评估冰壶最终能否运动到该静止目标。这些计算和处理将在掷壶手运动中实时进行，并以掷壶手在完成动作的同时容易觉察的方式，将得到的结果实时反馈给掷壶手，帮助掷壶手以最合适的方式掷出冰壶。

因此，所述方式实际是在一种在特定时间周期内估算冰壶运动路径的方法。这个方法包含：a）确定冰壶的初始位置（冰壶相对于冰道坐标系的坐标及冰壶的朝向角），b）采集冰壶加速度和朝向角的相关数据，并以采样时刻为采集到的冰壶加速度、朝向角的相关数据添加时间戳，c）使用采集到的冰壶的加速度、朝向角的相关数据以及冰壶初始位置数据，预测冰壶的将来位置，d）在每个采样时刻以图形的方式标示出在d）中所得到的冰壶将来位置的预测值，e）以冰壶将来位置的预测值替换冰壶初始位置，f）在时间周期内重复b），c），d）和e）工作。在以上述方式标示出冰壶在每个采样时刻的预测位置之后，就得到了冰壶的估算的运动路径。

在本实施例中，为了提高智能冰壶所采集的数据的精度，可以在其电路组件中安装单独的三轴磁力计（或者三个单轴磁力计，其感测轴彼此正交）。磁力计的工作原理是通过探测器件周围的磁场，从而确定其自身相对于地球磁场的方向。它可以直接给出目标的朝向角，并且其输出的数据零漂很低，从而可以与加速度计和陀螺仪。因此通过引入磁力计，可以有效地提高所获得冰壶朝向角的精确度。

Claims

1.一种可以实时采集自身运动参数的智能冰壶，包括冰壶本体，所述冰壶本体上设置有冰壶把手，其特征在于，所述冰壶本体和冰壶把手之间设置有一个夹层，夹层中设置有数据采集模块，所述数据采集模块包括称之为陀螺仪的角速度传感器、加速度传感器、中央处理器、时间发生器以及一个无线传输电路，角速度传感器和加速度传感器分别通过A/D转换电路连接至中央处理器，中央处理器与时间发生器和无线传输电路线连接。

2.根据权利要求1所述的一种可以实时采集自身运动参数的智能冰壶，其特征在于，所述角速度传感器和加速度传感器均设置在冰壶本体水平中心位置。

3.根据权利要求1所述的一种可以实时采集自身运动参数的智能冰壶，其特征在于，所述加速度传感器是二轴或三轴加速度传感器，若为二轴加速度传感器则二轴加速度传感器的两个轴平行于冰壶的下端面且两个轴互相正交；若为三轴加速度传感器则其中一个感测轴垂直于冰壶的下端面，另外两个轴平行于冰壶的下端面，且三个感测轴互相正交。

4.根据权利要求1所述的一种可以实时采集自身运动参数的智能冰壶，其特征在于，所述角速度传感器是单轴或三轴角速度传感器；若为单轴角速度传感器则其感测轴垂直于冰壶的下端面；若为三轴角速度传感器则其中一个感测轴垂直于冰壶的下端面，另外两个感测轴平行于冰壶的下端面，且三个感测轴应相互正交。

5.根据权利要求1所述的一种可以实时采集自身运动参数的智能冰壶，其特征在于，所述夹层中还设置有用于校正加速度传感器和角速度传感器参数变化的温度传感器。

6.根据权利要求1所述的一种可以实时采集自身运动参数的智能冰壶，其特征在于，所述夹层中还设置有与角速度传感器进行互补测量的三轴磁力计，三轴磁力计的感测轴彼此正交。

7.根据权利要求1所述的一种可以实时采集自身运动参数的智能冰壶，其特征在于，所述夹层通过胶粘或螺栓连接的方式固定在冰壶本体上，夹层的外壁与数据采集模块的电路组件之间设有作为减震缓冲材料的橡胶垫圈，另外在夹层内空腔表面设有绝缘覆盖层。

8.一种基于所述智能冰壶的冰壶在整个运动过程中的运动状态数据采集处理方法，包括权利要求1所述智能冰壶和无线信号接收处理装置，在所述智能冰壶夹层中设置有三轴磁力计，其特征在于，在所述智能冰壶被投掷手从预备静止状态经滑动直至投出，然后再到运动停止的全过程中，以一定的频率连续采集冰壶自身相对于惯性空间的角速度数据、加速度数据，以及冰壶相对于地磁场的朝向角数据，将采集到的所述三种数据加上采样时刻时间戳并传送至无线信号接收处理装置，所述无线信号接收处理装置采用捷联惯性导航算法获取各采样时刻智能冰壶相对于冰道坐标系的角速度和加速度，并以适当的时间单位连续将角速度与加速度列出显示。

9.根据权利要求8所述的一种基于所述智能冰壶的冰壶在整个运动过程中的运动状态数据采集处理方法，其特征在于，所述方法进一步是以冰壶在预备静止状态时所处的位置为原点，根据获取的各采样时刻的传感器数据推算出智能冰壶的运动轨迹曲线，然后将该轨迹曲线连同各个运动参数的数值变化一并显示出来。

10.根据权利要求8所述的一种基于所述智能冰壶的冰壶在整个运动过程中的运动状态数据采集处理方法，其特征在于，所述一定的频率调整范围是从每秒100次到每秒4000次。