CN104689550B - 一种基于无线传感技术的辅助投篮计分系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线传感技术的辅助投篮计分系统，部署于篮球场地两端，每一端的系统由处理器、计时器、显示器、压力传感器、无线多媒体节点以及两个红外线传感器组成，利用红外线传感器、压力传感器、无线多媒体节点对数据进行采集，并提交信息至微型处理器，处理其完成对数据的分析和处理，以完成计分的功能。在投篮过程中，首先由压力传感器感应到此种力的变化，会向处理器提交其自身编号及感知到此种力的变化时刻，当安装在同一篮板上的上下红外线传感器在规定时间范围内先后都探测到有篮球经过，则会向处理器传输信息，处理器根据红外线传感器，压力传感器以及无线多媒体节点提交的信息，来对进行相应的计分处理。

Description

一种基于无线传感技术的辅助投篮计分系统

技术领域

本发明是基于红外技术、无线传感技术以及无线多媒体技术提出的辅助投篮计分系统。该系统属于无线传感器技术和无线通信技术的交叉领域。

背景技术

传感器是一种检测装置，能感受到被测量物体的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制的要求。传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。该技术结合了无线通信技术，广泛地应用于军事国防、生物医疗、环境检测等领域。

红外是红外线的简称，它是一种电磁波，可以实现数据的无线传输，自被发现以来，得到了广泛地应用。红外线传感器也随之发展起来，它是能够将红外辐射能转换成电能的光敏元件。根据任何物质只要本身具有一定的温度(高于绝对零度-273.16℃)，都能辐射红外线这一特点，红外传感器实现了自动检测功能。红外传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且因具有较高的灵敏度、响应快的优点，被大量地应用于军事领域中。

体育活动是随着人类社会的发展而逐渐形成和发展起来的。近年来，随着体育活动的兴起，篮球成为青少年们较为热衷的运动项目之一，且篮球比赛以其对抗激烈、节奏快的特点，成为最具观赏性的体育比赛。篮球比赛是以两队得分多少而定胜负的，观众在观看比赛的过程中，最关心的就是两队的得分，所以在一场篮球比赛中，计分系统是必不可少的。而如今的篮球比赛的计分依然由人工完成，计分策略过于陈旧，不仅造成了人力物力的浪费，也引发了因计分而产生争议的现象。迄今为止，并没有一个较好计分系统和策略。

随着无线通信技术、传感器技术、红外技术的日益发展，使开发具有自动计分功能的投篮计分系统成为一种可能。本发明基于红外技术、无线传感技术以及无线多媒体技术，阐述了新型的篮球比赛计分系统的研发思路，提出了辅助投篮计分系统，可以在一定程度上解决上述问题。

发明内容

技术问题：

本发明是基于红外技术、无线传感技术以及无线多媒体技术，提出的辅助投篮计分系统，是针对篮球比赛过程中由于人工计算得分造成的争议，以及浪费人力物力的问题提出的。其目的是根据红外技术、无线传感技术以及无线多媒体技术来实现投篮得分后的自动计分。

技术方案：

本发明是基于红外技术、无线传感技术以及无线多媒体技术，提出的辅助投篮计分系统，部署于篮球场地两端，每一端的系统由处理器、计时器、显示器、压力传感器、无线多媒体节点以及两个红外线传感器组成，

在场地A'的系统中，红外传感器A₁和红外传感器A₂同时与一个计时器相连，红外传感器A₂的输出端还与处理器A的一个输入端口相连；计时器与传感器节点相连；在篮球场的上方同时布设无线多媒体节点；而压力传感器节点和无线多媒体节点也都通过其内嵌的无线通信模块与处理器A相连；此外，处理器A还外接一个显示器，用于显示自动投篮计分系统计算出的得分信息；该系统中的信息采集是由红外线传感器、压力传感器节点、无线多媒体节点完成的，数据的处理由后台微型处理器来完成。

在投篮过程中，首先由压力传感器感应到特殊力的变化，之后压力传感器节点以无线通信方式向处理器提交相应的信息，然后，当安装在篮板上的红外线传感器探测到篮球进入篮圈时，会向处理器发送进球消息，处理器根据红外线传感器以及压力传感器节点提交的信息，来进行相应的计分处理。若处理器在接收到红外线传感器发送的进球消息后，却未能接收到压力传感器节点发送来的符合条件的消息，则会向无线多媒体节点广播信息，要求其查看在一定时间范围内的图像，据此判断出进球的具体得分，并反馈至处理器，处理器在接收到无线多媒体节点反馈的信息后，进行相应的计分处理。

本发明的主要实现步骤如下：

步骤1)将篮球场地分为场地A’和场地B’，分别对应着篮球场地的两个半场。场地A’对应于处理器A、红外线传感器A₁、A₂。场地B’对应于处理器B、红外线传感器B₁、B₂。

步骤2)搭建红外线传感器与相应处理器之间的协同工作的环境。

①搭建红外线传感器A₂与处理器A之间协同工作的环境，建立无线通信链路，以便于红外线传感器A₂在必要时刻可以以无线通信方式传输信息至处理器A。

②搭建红外线传感器B₂与处理器B之间协同工作的环境，建立无线通信链路，以便于红外线传感器B₂在必要时刻可以以无线通信方式传输信息至处理器B。

其中，红外线传感器A₂，B₂可以分别向处理器A、B发送运动战进球消息和罚球进球消息，并且在发送运动战进球消息的同时也会发送此次投球的进球时刻。

步骤3)分别搭建压力传感器节点与处理器A和处理器B之间协同工作的环境，并建立无线通信链路，且对压力传感器的ID进行编号。对于感知到特定压力变化的压力传感器节点即通过无线通信的方式直接向处理器A或处理器B传输信息。

步骤4)搭建无线多媒体节点与处理器A和处理器B之间协同工作的环境，并建立无线通信链路，且对无线多媒体节点的ID进行编号。处理器A或处理器B可以对无线多媒体节点进行广播消息，要求各节点查看一定时间内采集到的信息，对于采集到特殊信息的多媒体节点将反馈必要信息至处理器。

步骤5)搭建各红外线传感器之间的关联。

①搭建红外线传感器A₁和红外线传感器A₂之间的关联，并建立无线通信链路；

②搭建红外线传感器B₁和红外线传感器B₂之间的关联，并建立无线通信链路。

步骤6)在场地A’、B’两端的篮板上分别安装红外线传感器A₁、A₂和红外线传感器B₁、B₂以便于红外线传感器感应篮圈内进球情况。

步骤7)在篮球场地布设压力传感器节点，不同半场的三分线内部和外部分别布设不同编号的压力传感器，用以识别不同场地的得分情况。布设的压力传感器都有因运动员特殊投篮动作中脚对地面产生作用力的感知能力。

步骤8)在篮球场的上方同时布设无线多媒体节点，对球场内运动员投篮动作的图像进行捕捉，该无线多媒体节点具有识别特定图像的功能，即可识别运动员的投篮动作。场内布设的无线多媒体节点分别能够捕捉到三分线内和三分线外的场景，也是有特定编号以用于反馈信息至处理器。

步骤9)在进行比赛期间，当安装在篮板上的红外线传感器A₁探测到篮球时，即刻查看计时器是否超时，若超时，则不发送信息。若不超时，则立即向红外线传感器A₂发送信息，发送信息也包括了A₁探测到篮球的时刻T₁。A₂接收到A₁发送的信息后并记录其时刻T₁，并且当篮球进框后，A₂会记录其自身探测到篮球的时刻T₂，则红外线传感器A₂将会对以下情况做出处理(若A₂在随后的t₁时间内探测不到篮球，则不作任何处理)：

①当红外线传感器A₂查看计时器处于非暂停状态，且有T₁-T₂≤t₁成立时，则红外线传感器A₂向处理器A发送运动战进球处理请求。

②当红外线传感器A₂查看计时器处于非暂停状态，且有T₁-T₂>t₁成立时，则红外线传感器A₂不会向处理器A发送进球消息。

③当红外线传感器A₂查看到计时器处于暂停状态时，则红外线传感器A₂向处理器A发送罚球进球处理请求。

其中t₁为篮球先后经过红外线传感器A₁和A₂所用的最大时间。

B’端半场的工作原理同上类似

步骤10)由于投球动作会对地面产生较明显的变化力，且其力的变化明显不同于场内传球、运球、变向跑等活动所产生的力，场内的压力传感器便有对此类力的特殊识别功能。在投球的同时，场内会有特定的压力传感器感知到此类力的变化，同时该压力传感器会自动发送信息至处理器，提交其编号和感应时刻T₃。若处理器接收到红外线传感器A₂或B₂发送的运动战进球消息，则处理器判断是否存在T₃使T₃-T₁≤t₂成立，

⑴若存在使T₃-T₁≤t₂成立的T₃，则

①若仅存在一个T₃使T₃-T₁≤t₂成立，则记录该T₃对应的压力传感器的ID编号。

②若存在多个T₃使T₃-T₁≤t₂成立，则处理器对多个T₃进行比较，记录最小的一个T₃所对应的压力传感器的ID编号。

处理器记录ID编号后进行运动战进球投篮计分处理，处理结束后将结果发送至显示器上进行显示。其中时间t₂为运动员自球出手到进球所需时间。

⑵若不存在使T₃-T₁≤t₂成立的T₃，则执行步骤11。

步骤11)处理器向无线多媒体节点广播消息，要求其查看在T₁-t₂～T₁时间内采集到的信息。由于运动员投球时刻手部动作的特殊性，若识别到运动员手部投篮动作的特殊图像，则无线多媒体节点会将其自身的ID编号以及采集到此图像的时刻T₄发送给处理器，处理器将收到的无线多媒体节点发送来的信息做出以下处理：

⑴若仅存在一个T₄，则记录该T₄对应的无线多媒体节点的ID编号。

⑵若存在多个T₄，则处理器将各个T₄进行比较，并记录最小T₄所对应的无线多媒体节点的ID编号。

处理器记录ID编号后进行运动战进球投篮计分处理，处理结束后将结果发送至显示器上进行显示。

有益效果

本发明基于红外技术、无线传感技术以及无线多媒体技术，提出的辅助投篮计分系统，阐述了篮球比赛计分系统研发的新思路，减少了人力物力的使用，并解决了由于人工计算得分所带来的争议。

附图说明

图1：篮球场地A’端系统结构图。

图2：篮球场地A’端半场系统执行流程图。

图3：篮球从篮圈最左侧进入的平面图。

图4：篮球从篮圈远离篮板方向即最前端进入的平面图。

图5：篮球从篮圈的左侧偏前端45°与篮圈相切进入的平面图。

图6：篮球从篮圈的左侧偏前端45°与篮圈相切进入的坐标分析图。

图7：急停跳投投篮动作产生压力变化曲线。

图8：变向跑对地面产生压力变化曲线。

图9：红外线传感器A₁、A₂安装位置的正视图，侧视图，俯视图。

图10：篮球场系统部署图。

图11：篮球出手时速度分析图。

图12：处理器A的运动战进球计分处理流程图。

图13：处理器B的运动战进球计分处理流程图。

图14：处理器罚球计分处理流程图。

其中，各字母表示含义如下所示：

P：篮球 Q：篮板 R：篮圈

a：180cm b：105cm c：45cm e：15cm f：5cm

HT：力——时间曲线垂直方向力

HD：水平方向力

G：体重线

M1：制动起跳阶段

M2：腾空出手阶段

M3：落地缓冲阶段

具体实施方式

本专利是基于红外技术、无线传感技术以及无线多媒体技术发明的辅助投篮记分系统。该系统主要由信息采集、数据传输、数据处理三部分组成。在篮球比赛的过程中，由于投篮动作的特殊性，可以用特殊的压力传感器来感知运动员脚部对地面产生特殊变化的压力，用无线多媒体节点来捕捉投篮动作，以及利用红外线传感器来探测篮球进入篮圈，依此来完成信息的采集。数据传输主要有压力传感器节点、红外线传感器、无线多媒体节点以无线通信的方式向处理器传输数据，红外线传感器之间的信息传输以及处理器向无线多媒体节点广播消息。数据处理集中在处理器对接收到的信息进行处理。处理器将处理后的部分数据发送到显示器上进行显示。

下面将结合附图对本发明作详细阐述：如附图1所示，该系统部署于篮球场地两端(说明书中分别称为场地A’和场地B’，如图10所示)，每一端的系统由处理器、计时器、显示器、压力传感器、无线多媒体节点以及两个红外线传感器组成，如附图1所示。

在附图1所示的场地A'的系统中，红外传感器A₁和红外传感器A₂同时与一个计时器相连，其目的在于，当其中任何一个红外传感器探测到篮球时，将向该计时器发送信号，使其记录下探测到篮球的时间；红外传感器A₂的输出端还与处理器A的一个输入端口相连，使得当篮球入框时，A₂可将“篮球入框”的信息传送至处理器A，从而便于其进行下一步操作；计时器同布设于场地A'的压力传感器节点相连；在篮球场的上方同时布设无线多媒体节点；而压力传感器节点和无线多媒体节点也都通过其内嵌的无线通信模块与处理器A相连，以便于它们分别将“有无投篮动作产生”和“有无投篮图像”的信息传送至处理器A；此外，处理器A还外接一个显示器，用于显示自动投篮计分系统计算出的得分信息。

系统各模块之间由如下步骤完成：

步骤1)将篮球场地分为场地A’和场地B’，分别对应着篮球场地的两个半场。场地A’对应于处理器A、红外线传感器A₁、A₂。场地B’对应于处理器B、红外线传感器B₁、B₂。A’端半场的系统结构图如图1所示，系统执行流程图如图2所示，B’端半场的系统结构图与系统执行流程图与A’端半场类似。

步骤2)搭建红外线传感器与相应处理器之间的协同工作环境。

①搭建红外线传感器A₂与处理器A之间协同工作的环境，建立无线通信链路，以便于红外线传感器A₂在必要时刻可以以无线通信方式传输信息至处理器A。

②搭建红外线传感器B₂与处理器B之间协同工作的环境，建立无线通信链路，以便于红外线传感器B₂在必要时刻可以以无线通信方式传输信息至处理器B。

其中，红外线传感器A₂和B₂可以分别向处理器A、B分别发送运动战进球消息和罚球进球消息，并且在发送运动战进球消息的同时也会发送此次投球的进球时刻。

下面讨论在本专利中红外线传感器所需的探测距离范围：由于球场采用2010年公布的标准篮球场的尺寸图，由此可知篮圈的直径为d₂＝45cm，篮板距篮圈最短距离为15cm，其中标准篮球尺寸的直径为d₂＝24.6cm。

红外线传感器在以下投篮情况下，需要较长的探测距离：

情形1：篮球从篮圈的最左侧或最右侧投入，如图3所示；

情形2：篮球从远离篮板方向即篮圈最前端投入，如图4所示；

情形3：篮球从篮圈的左侧偏前端45°与篮圈相切位置投入，如图5所示；

讨论：

情形1：由于篮球直径大于篮筐的半径，所以无论篮球从篮圈的最左侧或最右侧投入篮圈时，篮球都会经过篮圈的中心点及所在平面的圆心。

假设篮球从篮圈的最左侧进入，篮球与篮圈中心线靠近篮板一侧的交点即为红外线传感器最先探测到的点。

设d’为投篮时红外线传感器在此情形下探测到篮球所需的最短距离，d₃为篮球进入篮圈时球心距离篮圈中心的距离，d₄为篮圈中心点距离最近感应点的距离，则代入数据得d₃＝10.2cm，由代入数据得d₄＝6.87cm，又由代入数据计算得，d’＝22.5-6.7+15＝30.8cm。

情形2：当篮球从远离篮板方向即篮圈最前端投入，篮球和篮圈的中心点在一条直线上。

设d”为投篮时红外线传感器在此情形下探测到篮球所需的最短距离，则d”＝d₂-d₁+15，代入数据计算得，d”＝30.4cm；

情形3：篮球从如图5所示的方位投入篮圈，设d”’为红外线传感器探测到篮球所需的最短距离。

建立如图6所示的坐标系求d”’的长度，其中C点为篮圈和篮球进入篮圈时的切点，D为红外线探测器探测最先探测到的点。设C(x₁,y₁)，D(0,y₂)。则x₁＝r₂cosθ，y₁＝-r₂sinθ，其中θ＝45°，设其中小圆圆心为(a,-a)，则有成立，代入数据计算得，a＝7.21。则小圆圆心坐标为(7.21,-7.21)，且在小圆上的点满足(a-x)²+(-a-y)²＝r₁ ²公式，又由D点在小圆上，则代入数据计算得y₂＝17.17。由此可得d”’＝|y₂|+15cm＝32.17cm。

经计算得出d’＝30.8cm，d”＝30.4cm，d”’＝32.17cm，由此可知红外线传感器的探测距离必须大于三者当中最大值才能保证所有进球均能探测到，则有d≥max(d’,d”,d”’)成立，即d≥32.17cm。

又因为红外线传感器不能探测到经过篮圈之外的篮球，故其探测距离应小于其所在位置到篮圈最前端的距离，即d≤15cm+d₂＝60cm。

综上所述：红外线传感器的探测距离应为32.17cm≤d≤60cm。

步骤3)分别搭建压力传感器与处理器A和处理器B之间协同工作的环境，并建立无线通信链路，即对于感知到特定压力变化的压力传感器节点即通过无线通信的方式直接向处理器A和处理器B传输信息。并且对压力传感器的ID进行编号，编号ID分为4种，分别为1，2，3，4。其编号的具体含义将在步骤7)中进行说明。

由于运动员在急停跳投的投篮过程中动作的特殊性，其脚部会对地面产生明显的力的作用，而此种力的变化明显不同于场内运动员一般的运球、传球此类活动所产生特殊变化的压力。如变向跑的过程中脚部产生的力对地面的作用则与急停跳投活动下产生的压力有明显区别。根据现有理论，急停跳投产生力变化曲线如图7所示，变相跑动作产生力的变化曲线如图8所示。由此可知运动员在场内惯用动作对地面产生的压力变化是不同的，因此在压力传感器中若设有对各种不同活动下所产生不同压力的识别功能，则可以判断场内运动员的活动状态。在此，本专利采用的压力传感器拥有对急停跳投动作下产生的特殊压力的感知能力，用以识别运动员此刻在进行投球动作。

当压力传感器采集到急停跳投动作产生的压力变化后，会向处理器提交信息，提交的信息会包括感知到压力变化的时刻和其自身的编号信息用以识别场地位置，以便于处理器计算得分。

处理器A或处理器B将根据压力传感器发送的信息进行计分处理，并将结果发送到显示器上进行显示。

步骤4)搭建无线多媒体节点与处理器A和处理器B之间协同工作的环境并建立无线通信链路，且对多媒体节点的ID进行编号，编号ID分为4种，分别为1，2，3，4。处理器A或处理器B可以对多媒体节点进行广播消息，要求无线多媒体节点查看一定时间内采集到的信息，对于采集到投篮动作的多媒体节点将以无线通信的方式将其采集到信息的时刻和其自身的ID编号(用于判断产生投篮动作具体发生的位置即计算得分是2分还是3分)反馈至相应处理器。

由于运动员在投篮过程中投篮动作的特殊性，无线多媒体节点对于运动员投篮的特殊画面具有识别功能，而本发明采用的则是具有此种特殊功能的无线多媒体节点。

当无线多媒体节点收到处理器广播的消息后，会回溯查看在一定时间内的各个时刻图像，查看到产生投篮动作的无线多媒体节点会向处理器发送其捕捉到图像的时刻以及其自身的ID编号信息用于判断产生投篮动作具体发生的位置即计算得分是2分还是3分，以便于相应的处理器计算得分。

处理器A或处理器B将根据无线多媒体节点反馈的信息进行计分处理，并将结果发送到显示器上进行显示。

步骤5)搭建各红外线传感器之间的关联并建立无线通信链路；

①搭建红外线传感器A₁和红外线传感器A₂之间的关联；

当红外线传感器A₁探测到目标物体篮球时，立即查看计时器是否超时，若超时，则不发送信息。若不超时，则即刻以无线通信的方式向红外线传感器A₂发送探测到目标物体的信息，并同时发送探测到物体的具体时刻，此时若红外线传感器A₂接收到A₁发送的消息，且在一定时间范围内也探测到目标物体篮球，此时红外线传感器A₂将查看计时器状态，若计时器处于暂停状态，则立即向处理器A发送罚球进球消息，处理器A收到罚球消息后，将会进行罚球计分处理；若红外线传感器A₂查看到计时器处于正常状态，则向处理器A发送运动战进球计分处理请求。若出现以下情形之中的任何一种，处理器A都不会收到进球通知，

情形一：红外线传感器A₁探测到有篮球经过，且红外线传感器A₂在一定时间范围内没有探测到篮球经过，则红外线传感器A₂不会向处理器A发送信息。

情形二：红外线传感器A₂探测到有篮球经过，但在此时间之前的一定时间范围内没有接收到红外线传感器A₁发送来的消息，则红外线传感器A₂不会向处理器A发送信息。

②搭建红外线传感器B₁和红外线传感器B₂之间的关联，原理如建立红外线传感器A₁和红外线传感器A₂关联相同。

步骤6)在场地A’、B’两端的篮板纵向的中心线与篮圈的上下方平行线相交点处，分别安装红外线传感器A₁、A₂和红外线传感器B₁、B₂以便于红外线传感器探测篮球的进球情况。

红外线传感器A₁，安装于篮板距离左端90cm与距离篮板下端20cm的交点处，红外线传感器A₂安装于篮板距离左端90cm与距离篮板下端10cm的交点处。红外线传感器A₁、A₂安装位置的正视图，侧视图，俯视图如图9所示。

红外线传感器B₁、B₂的安装位置与A₁、A₂类似。

步骤7)在篮球场地布设压力传感器，不同半场的三分线内部和外部分别布设不同ID编号的压力传感器，用以识别不同场地的得分情况。布设的压力传感器都有对于运动员特殊投篮动作而产生的脚对地面的作用力的感知能力。其中场地A’端，三分线内外分别布设编号ID为1，2的压力传感器，对应场地B’端，三分线内外分别布设编号ID为3，4的压力传感器。

步骤8)在篮球场的上方同时布设无线多媒体节点，对球场内运动员投篮动作的图像进行捕捉。该无线多媒体节点具有识别特定图像的功能即可识别运动员的投篮动作。场内布设的无线多媒体节点分别能够捕捉到三分线内和三分线外的场景，也是有特定的ID编号以用于记算得分。其中场地A’端，能够捕捉到三分线内部和外部图像的无线多媒体节点布设的ID编号分别为1、2；场地B’端，能够捕捉到三分线内部和外部图像的无线多媒体节点布设的ID编号分别为3、4。

篮球场系统部署图如图10所示。

步骤9)在进行比赛期间，当安装在篮板上的红外线传感器A₁探测到篮球，则A₁即刻查看计时器是否超时，若超时，则不发送信息。若不超时，则立即向红外线传感器A₂发送信息，发送信息包括了探测到篮球的时刻T₁，红外线传感器A₂接收到A₁发送的信息后记录其时刻T₁，若篮球随后进框得分，则A₂会记录其自身探测到篮球的时刻T₂。

由红外线传感器A₁和A₂的部署图可知，A₁和A₂之间的距离h₁＝10cm，在一次进球的过程中，设篮球下落10cm的高度时间为t₁。由物理知识可知，在投篮的过程中，篮球在运动到与红外线传感器A₁相同的水平高度时，篮球具有的竖直向下的速度大于等于零，所以篮球运动到红外线传感器A₂的水平高度时所需的最大时间为从A₁所在水平面起做初速度为零的自由落体运动到A₂所在水平面的时间。根据公式其中g＝9.8N/m²，代入数据计算得，t＝0.143s。由此可知，若t₁≤t，即t₁≤0.143s时(在0.143s时间内运动员无法完成二次投球)。则红外线传感器A₂将会对以下情况做出处理：

①当红外线传感器A₂查看计时器处于非暂停状态，且有T₁-T₂≤t₁成立时，则红外线传感器A₂向处理器A发送运动战进球处理请求。

②当红外线传感器A₂查看计时器处于非暂停状态，且有T₁-T₂>t₁成立时，则红外线传感器A₂不会向处理器A发送进球消息。

③当红外线传感器A₂查看到计时器处于暂停状态时时，则红外线传感器A₂向处理器A发送罚球进球处理请求。

B’端半场工作原理同上。

步骤10)由于投球动作会对地面产生较明显的变化力，且场内的压力传感器对此类力有特殊的识别功能，在投球的同时，场内的压力传感器感知到此类力的变化，同时该压力传感器节点会以无线通信方式自动发送信息至处理器，提交其ID编号和感应时刻T₃。若处理器接收到红外线传感器A₂或B₂发送的运动战进球消息，则处理器判断是否存在T₃使T₃-T₁≤t₂成立，

⑴若存在使T₃-T₁≤t₂成立的T₃，则

①若仅存在一个T₃使T₃-T₁≤t₂成立，则记录该T₃对应的压力传感器的ID编号。

②若存在多个T₃使T₃-T₁≤t₂成立，则处理器对多个T₃进行比较，记录最小时刻T₃所对应的压力传感器的ID编号。

处理器记录ID编号后进行运动战进球投篮计分处理，处理结束后将结果发送至显示器上进行显示。其中时间t₂为运动员自球出手到进球所需时间。

至此，已完成一次投篮自动计分过程。

⑵若不存在使T₃-T₁≤t₂成立的T₃，则执行步骤11。

由于不同运动员投球时所用角度和力度的差异，本专利只对运动员投篮时间t₂做估计讨论：

在运动员投篮的过程中，以一定的出手角度及速度保证篮球获得适宜的飞行弧线，从而保证了投篮的命中率。在比赛中，成功投篮时运动员的出手角度都是非常接近于“最小速度角”。“最小速度角”即是指以采取最小速度将球投到篮圈里去的投篮角度。

运动员投球时篮球速度分析图如图11所示：其中x为投篮距离，h为出手高度，H为篮圈高度H＝305cm，v为篮球出手时的速度，θ为篮球出手时与水平面的夹角，t₂为篮球出手到进入篮圈所需的时间。运用物理学知识进行分析，忽略空气阻力，将出手速度v沿水平方向和竖直方向进行分解，分别分解为v_x，v_y，则有v_x＝vcosθ，v_y＝vsinθ，且有x＝v_xt＝vtcosθ，将上式整理得即

根据相关文献，其中θ为投篮最准时的出手角度，且由相关文献可知，投篮的出手角度平均值为48.42°。当出手高度一定时,投篮距离增大，出手角度减少；投篮距离缩短，出手角度增大。当投篮距离一定时，随着出手高度增加,篮球投篮的最佳角度减小。

考虑两种情况，情形1为场地A’端距离篮圈675cm的三分线处投篮至A’端篮圈所需要的时间；情形2为场地最长距离所需要的时间即从场地B’端的边界处投篮至A’端篮板的篮圈；

情形1：距离x＝6.75m,θ取均值，出手高度取运动员的平均出手高度h＝2.5m，计算得从篮球出手到进入篮框的时间t₃＝1.12s；

情形2：距离x＝28-1.25＝26.75m，θ取均值，出手高度取运动员的平均出手高度h＝2.5m，计算得从篮球出手到进入篮框的时间t₄＝2.31s；

若在上述情况下运动员出手高度取较大值h＝3.0m，经计算t₃＝1.16s，t₄＝2.33s

若上述情况下同时取运动员出手高度的较大值和较大的角度值，θ＝55°，h＝3.0m，经计算t₃＝1.39s，t₄＝2.78s；

由此可得在角度和出手高度变化的情况下，对投篮所需的时间并无较大影响。而通常情况下，运动员较偏爱在三分线附近进行投球，所以较多的情况下，从投球到进球所需时间在1.2s左右，且在比赛过程中，运动员很少投高远球，且出手高度和角度均达不到上述的取值，所以投球时间阀值可定为t₂＝2.0s。即红外线传感器A₁探测到篮球的时刻T₁和压力传感器所感知到压力变化的时间T₃的差值应小于2.0s。

步骤11)处理器向无线多媒体节点广播消息，要求其查看在T₁-t₂～T₁时间内采集到的信息。由于运动员投球时刻手部动作的特殊性，若识别到运动员手部投篮动作的特殊图像，则无线多媒体节点会将其自身的ID编号以及采集到此图像的时刻T₄发送给处理器，处理器将收到的无线多媒体节点发送来的信息做出以下处理：

⑴若仅存在一个T₄，则记录该T₄对应的无线多媒体节点的ID编号。

⑵若存在多个T₄，则处理器将各个T₄进行比较，并记录最小T₄所对应的无线多媒体节点的ID编号。

处理器记录ID编号后进行运动战进球投篮计分处理，处理结束后将结果发送至显示器上进行显示。

至此，已完成一次投篮自动计分过程。

处理器的数据处理部分：

①处理器A运动战进球投篮计分处理步骤流程：

步骤1)判断ID编号是否为1，若是，则执行分数sum＝sum+2的过程，然后执行步骤4；若不是，则执行步骤2。

步骤2)判断ID编号是否为2，若是，则执行分数sum＝sum+3的过程，然后执行步骤4；若不是，则执行步骤3

步骤3)判断ID编号是否为3或4，若是，则执行分数sum＝sum+3的过程；

步骤4)结束。

②处理器B运动战进球投篮计分处理步骤流程：

步骤1)判断ID编号是否为3，若是，则执行分数sum＝sum+2的过程，然后执行步骤4；若不是，则执行步骤2

步骤2)判断ID编号是否为4，若是，则执行分数sum＝sum+3的过程；若不是，则执行步骤3

步骤3)判断ID编号是否为1或2，若是，则执行分数sum＝sum+3的过程；

步骤4)结束。

③处理器A、B罚球计分处理步骤流程：

步骤1)执行sum＝sum+1过程；

步骤2)结束。

处理器A的运动战进球计分处理流程图如图12所示，处理器B的运动战进球计分处理流程图如图13所示，处理器A、B的罚球计分处理流程图如图14所示。

Claims (1)

1.一种基于无线传感技术的辅助投篮计分系统，部署于篮球场地两端，其特征在于，每一端的系统由处理器、计时器、显示器、压力传感器、无线多媒体节点以及两个红外线传感器组成，

在场地A'的系统中，红外传感器A₁和红外传感器A₂同时与一个计时器相连，红外传感器A₂的输出端还与处理器A的一个输入端口相连；计时器与传感器节点相连；在篮球场的上方同时布设无线多媒体节点；而压力传感器节点和无线多媒体节点也都通过其内嵌的无线通信模块与处理器A相连；此外，处理器A还外接一个显示器，用于显示自动投篮计分系统计算出的得分信息；

系统各模块之间由如下步骤完成：

步骤1)将篮球场地分为场地A’和场地B’，分别对应着篮球场地的两个半场；场地A’对应于处理器A、红外线传感器A₁、A₂；场地B’对应于处理器B、红外线传感器B₁、B₂；

步骤2)搭建红外线传感器与相应处理器之间的协同工作的环境；

①搭建红外线传感器A₂与处理器A之间协同工作的环境，建立无线通信链路，以便于红外线传感器A₂在必要时无线通信方式传输信息至处理器A；

②搭建红外线传感器B₂与处理器B之间协同工作的环境，建立无线通信链路，以便于红外线传感器B₂在必要时刻以无线通信方式传输信息至处理器B；

其中，红外线传感器A₂，B₂分别向处理器A、B发送运动战进球消息和罚球进球消息，并且在发送运动战进球消息的同时也会发送此次投球的进球时刻；

步骤3)分别搭建压力传感器节点与处理器A和处理器B之间协同工作的环境，并建立无线通信链路，且对压力传感器的ID进行编号；对于感知到特定压力变化的压力传感器节点即通过无线通信的方式直接向处理器A或处理器B传输信息；

步骤4)搭建无线多媒体节点与处理器A和处理器B之间协同工作的环境，并建立无线通信链路，且对无线多媒体节点的ID进行编号；处理器A或处理器B可以对无线多媒体节点进行广播消息，要求各节点查看一定时间内采集到的信息，对于采集到特殊信息的多媒体节点将反馈必要信息至处理器；

步骤5)搭建各红外线传感器之间的关联：

①搭建红外线传感器A₁和红外线传感器A₂之间的关联，并建立无线通信链路；

②搭建红外线传感器B₁和红外线传感器B₂之间的关联，并建立无线通信链路；

步骤6)在场地A’、B’两端的篮板上分别安装红外线传感器A₁、A₂和红外线传感器B₁、B₂以便于红外线传感器感应篮圈内进球情况；

步骤7)在篮球场地布设压力传感器节点，不同半场的三分线内部和外部分别布设不同编号的压力传感器，用以识别不同场地的得分情况；布设的压力传感器都有因运动员特殊投篮动作中脚对地面产生作用力的感知能力；

步骤8)在篮球场的上方同时布设无线多媒体节点，对球场内运动员投篮动作的图像进行捕捉，该无线多媒体节点具有识别特定图像的功能，即可识别运动员的投篮动作；场内布设的无线多媒体节点分别能够捕捉到三分线内和三分线外的场景，也是有特定编号以用于反馈信息至处理器；

步骤9)在进行比赛期间，当安装在篮板上的红外线传感器A₁探测到篮球时，即刻查看计时器是否超时，若超时，则不发送信息；若不超时，则立即向红外线传感器A₂发送信息，发送信息也包括了A₁探测到篮球的时刻T₁；A₂接收到A₁发送的信息后并记录其时刻T₁，并且当篮球进框后，A₂会记录其自身探测到篮球的时刻T₂，则红外线传感器A₂将会对以下情况做出处理；若A₂在随后的t₁时间内探测不到篮球，则不作任何处理：

①当红外线传感器A₂查看计时器处于非暂停状态，且有T₁-T₂≤t₁成立时，则红外线传感器A₂向处理器A发送运动战进球处理请求；

②当红外线传感器A₂查看计时器处于非暂停状态，且有T₁-T₂>t1成立时，则红外线传感器A₂不会向处理器A发送进球消息；

③当红外线传感器A₂查看到计时器处于暂停状态时，则红外线传感器A₂向处理器A发送罚球进球处理请求；

其中t₁为篮球先后经过红外线传感器A₁和A₂所用的最大时间；

B’端半场的工作原理同上；

步骤10)由于投球动作会对地面产生较明显的变化力，且其力的变化明显不同于场内传球、运球、变向跑的活动所产生的力，场内的压力传感器便有对此类力的特殊识别功能；在投球的同时，场内会有特定的压力传感器感知到此类力的变化，同时该压力传感器会自动发送信息至处理器，提交其编号和感应时刻T₃，若处理器接收到红外线传感器A₂或B₂发送的运动战进球消息，则处理器判断是否存在T₃使T₃-T₁≤t₂成立，

⑴若存在使T₃-T₁≤t₂成立的T₃，则

①若仅存在一个T₃使T₃-T₁≤t₂成立，则记录该T₃对应的压力传感器的ID编号；

②若存在多个T₃使T₃-T₁≤t₂成立，则处理器对多个T₃进行比较，记录最小的一个T₃所对应的压力传感器的ID编号；

处理器记录ID编号后进行运动战进球投篮计分处理，处理结束后将结果发送至显示器上进行显示；其中时间t₂为运动员自球出手到进球所需时间；

至此，已完成一次投篮自动计分过程；

⑵若不存在使T₃-T₁≤t₂成立的T₃，则执行步骤11；

步骤11)处理器向无线多媒体节点广播消息，要求其查看在T₁-t₂～T₁时间内采集到的信息；由于运动员投球时刻手部动作的特殊性，若识别到运动员手部投篮动作的特殊图像，则无线多媒体节点会将其自身的ID编号以及采集到此图像的时刻T₄发送给处理器，处理器将收到的无线多媒体节点发送来的信息做出以下处理：

⑴若仅存在一个T₄，则记录该T₄对应的无线多媒体节点的ID编号；

⑵若存在多个T₄，则处理器将各个T₄进行比较，并记录最小T₄所对应的无线多媒体节点的ID编号；

处理器记录ID编号后进行运动战进球投篮计分处理，处理结束后将结果发送至显示器上进行显示；

至此，已完成一次投篮自动计分过程。