CN107754286A - 一种基于惯性导航与触感校正定位的乒乓球运动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于惯性导航与触感校正定位的乒乓球运动系统。其系统由可识别乒乓球撞击位置的乒乓球台、配备压力传感器和光电传感器的乒乓球网、配备压力传感器和陀螺仪的乒乓球拍、具有惯性导航功能的乒乓球以及根据惯性导航与触感校正计算位置的服务器组成。乒乓球台、球网和球拍上部署的各传感器获取乒乓球的撞击数据，然后将撞击数据发送至根据惯性导航与触感校正计算位置的服务器，具有惯性导航功能的乒乓球获取乒乓球运动数据，然后将运动数据发送至根据惯性导航与触感校正计算位置的服务器。本发明解决了现有基于物联网的乒乓球运动系统缺乏实时计算乒乓球位置功能的问题。

Description

一种基于惯性导航与触感校正定位的乒乓球运动系统
技术领域
本发明属于智能乒乓球运动技术领域，特别是涉及一种基于惯性导航与触感校正定位的乒乓球运动系统。
背景技术
目前对乒乓球运动进行监测的技术主要有两类，一种是计算机视觉分析方法，一种是信号触发判断方法。
计算机视觉分析方法主要通过多台高速高清摄像机实时采集乒乓球运动时的录像，对录像中的每个图像进行目标识别和空间定位后形成数据，再通过滤波和跟踪计算出乒乓球轨迹，该方法的缺点是计算复杂度高，对设备的性能要求高。
信号触发判断方法是通过安装在乒乓球台和球网的压电传感器获取因受到乒乓球的撞击而产生的信号，比较多个信号的强度和产生时间，计算乒乓球的撞击位置和大致的运动轨迹，该方案的缺点是不能定位乒乓球在空中的位置，定位准确度低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有基于物联网的乒乓球运动系统缺乏实时计算乒乓球位置的功能，提出一种基于惯性导航与触感校正定位的乒乓球运动系统。
惯性导航与触感校正定位是指利用运动物体内部的惯性导航传感设备监测运动物体在空中飞行时的角度、方向、速度等参数；通过运动物体与固定位置物体的撞击位置进行位置校正；从而实现运动物体定位的技术。
本发明的基于惯性导航与触感校正定位的乒乓球运动系统由可识别乒乓球撞击位置的乒乓球台、配备压力传感器和光电传感器的乒乓球网、配备压力传感器和陀螺仪的乒乓球拍、具有惯性导航功能的乒乓球以及根据惯性导航与触感校正计算位置的服务器组成。
可识别乒乓球撞击位置的乒乓球台：乒乓球台上部署用于识别乒乓球撞击位置的传感器，球台面被划分为多个撞击区域，当乒乓球撞击乒乓球台时用于识别乒乓球撞击位置的传感器获取撞击数据，然后将撞击数据发送至根据惯性导航与触感校正计算位置的服务器。
配备压力传感器和光电传感器的乒乓球网：乒乓球网由网面和两端的固定杆构成；乒乓球网面上部署多个压力传感器，乒乓球网被划分为多个撞击区域，压力传感器部署在撞击区域的中心位置，压力传感器获取压力传感数据，然后将压力传感数据发送至根据惯性导航与触感校正计算位置的服务器；乒乓球网两端固定杆上部署多个遮光式光电传感设备，遮光式光电传感设备的部署位置高于球网顶端，遮光式光电传感设备获取光电感应数据，然后将光电感应数据发送至根据惯性导航与触感校正计算位置的服务器。
配备压力传感器和陀螺仪的乒乓球拍：乒乓球拍由球拍面和球拍柄构成；乒乓球拍面由基板和粘贴在基板上的左右胶皮构成，胶皮与基板之间部署多个压力传感器，拍面被划分为多个撞击区域，压力传感器部署在撞击区域的中心位置，压力传感器获取压力传感数据，然后将压力传感数据发送至根据惯性导航与触感校正计算位置的服务器；球拍柄内部署三轴陀螺仪，三轴陀螺仪获取球拍的陀螺力矩数据，然后将陀螺力矩数据发送至根据惯性导航与触感校正计算位置的服务器。
具有惯性导航功能的乒乓球：乒乓球内部署陀螺仪和加速度仪，陀螺仪和加速度仪部署在与乒乓球紧密贴合的柔性材料中，陀螺仪获取乒乓球的陀螺力矩数据，然后将陀螺力矩数据发送至根据惯性导航与触感校正计算位置的服务器，加速度仪获取乒乓球的加速度数据，然后将加速度数据发送至根据惯性导航与触感校正计算位置的服务器。
根据惯性导航与触感校正计算位置的服务器：获取具有惯性导航功能的乒乓球发送的陀螺力矩数据和加速度数据，计算乒乓球的运动方向和运动速度，估算乒乓球的实时位置；获取球台、球网、球拍的传感器数据，计算乒乓球撞击球台、球网以及球拍时的位置；根据乒乓球的撞击位置校正和更新乒乓球的实时位置。
本发明的基于惯性导航与触感校正定位的乒乓球运动系统，如图1所示，根据惯性导航与触感校正计算位置的服务器简称为服务器，带箭头的虚线表示信号传送给服务器。乒乓球台、球网和球拍上部署的各传感器获取乒乓球的撞击数据，然后将撞击数据发送至根据惯性导航与触感校正计算位置的服务器，具有惯性导航功能的乒乓球获取乒乓球运动数据，然后将运动数据发送至根据惯性导航与触感校正计算位置的服务器。
本发明的方法及系统具有的优点是：
(1)提出一种包含乒乓球、球拍、球网和球台的基于惯性导航与触感校正定位的完整乒乓球运动系统。
(2)采用惯性导航与触感校正定位技术，可以更准确地进行乒乓球实时定位。
附图说明
图1是本发明的基于惯性导航与触感校正定位的乒乓球运动系统的结构示意图；
图2是本发明实施例的基于压电薄膜传感器的乒乓球台的三视图；
图3是本发明实施例的基于光电传感器的乒乓球台的三视图；
图4是本发明实施例的配备压力传感器和光电传感器的乒乓球网的三视图；
图5是本发明实施例的配备压力传感器和陀螺仪的乒乓球拍的三视图；
图6是本发明实施例的具有惯性导航功能的乒乓球的三视图；
具体实施方式
下面对本发明优选实施例作详细说明。
惯性导航与触感校正定位是指利用运动物体内部的惯性导航传感设备监测运动物体在空中飞行时的角度、方向、速度等参数；通过运动物体与固定位置物体的撞击位置进行位置校正；从而实现运动物体定位的技术。
本发明的基于惯性导航与触感校正定位的乒乓球运动系统由可识别乒乓球撞击位置的乒乓球台、配备压力传感器和光电传感器的乒乓球网、配备压力传感器和陀螺仪的乒乓球拍、具有惯性导航功能的乒乓球以及根据惯性导航与触感校正计算位置的服务器组成。
可识别乒乓球撞击位置的乒乓球台：乒乓球台上部署用于识别乒乓球撞击位置的传感器，球台面被划分为多个撞击区域，当乒乓球撞击乒乓球台时用于识别乒乓球撞击位置的传感器获取撞击数据，然后将撞击数据发送至根据惯性导航与触感校正计算位置的服务器。本实施例中，可采用两种用于获取乒乓球撞击位置的传感器，一种是压电薄膜传感器，一种是光电传感器。
基于压电薄膜传感器的乒乓球台：乒乓球台面均匀部署具有编号的压电薄膜传感器，球台面被划分为具有编号的撞击区域；压电薄膜传感器检测到压力时会产生电压数据，然后将电压数据发送至服务器。部署的压电薄膜传感器数量越多，乒乓球台面区域划分越细，由于乒乓球与乒乓球台面的接触面积最大为厘米级，所以球台面被划分的最佳区域的边长为1-3厘米，根据区域数量设置压电薄膜传感器数量，如图2所示，乒乓球台分布24个压电薄膜传感器，24个压电薄膜传感器将乒乓球台面分为24个区域，压电薄膜传感器位于各撞击区域中心。
基于光电传感器的乒乓球台：乒乓球台面四周部署遮光式光电传感设备，遮光式光电传感设备获取光电感应数据，然后将光电感应数据发送至根据惯性导航与触感校正计算位置的服务器。乒乓球台面被划分为横纵交叉的网格型区域，定义乒乓球桌长边方向为横向，窄边方向为纵向；球台面被划分的最佳区域的边长为1-3厘米，根据区域数量设置遮光式光电传感器数量，如图3所示，其中遮光式光电传感器由成对发光器和收光器以及电压发生电路构成，乒乓球台的横向分布11对发光器和收光器，纵向分布6对发光器和收光器，标号11表示乒乓球台面，标号12表示球网，标号13表示乒乓球桌支撑，标号14表示纵向光电传感设备，标号15表示横向光电传感设备；乒乓球台横向分为11个区域，用阿拉伯数字编号，乒乓球台纵向分为6个区域，用大写英文字母编号，乒乓球台面的横纵交叉的网格型区域编号格式为大写英文字母+阿拉伯数字，如A1。当成对的发光器和收光器之间有物体遮挡时，电压发生电路产生的最低电压阈值K＝3毫伏(mV)。
配备压力传感器和光电传感器的乒乓球网：乒乓球网由网面和两端的固定杆构成；乒乓球网面上部署多个压力传感器，乒乓球网被划分为多个撞击区域，压力传感器部署在撞击区域的中心位置，压力传感器获取压力传感数据，然后将压力传感数据发送至根据惯性导航与触感校正计算位置的服务器；乒乓球网两端固定杆上部署多个遮光式光电传感设备，遮光式光电传感设备的部署位置高于球网顶端，遮光式光电传感设备获取光电感应数据，然后将光电感应数据发送至根据惯性导航与触感校正计算位置的服务器。本实施例中，乒乓球网由网面和两端固定杆构成，网面部署8个压电薄膜传感器，在长度为50厘米的两个连接杆上部署遮光式光电传感设备，如图4所示，标号21表示乒乓球网面，标号22表示球网两端支撑，标号23表示压力传感器，用黑色圆点标识，标号24表示光电传感设备，用黑色矩形标识，标号25表示乒乓球桌其他部分。乒乓球网面被划分为8个区域，压电薄膜传感器位于各区域中心，压电薄膜传感器获取的电压数据通过已有的物联网通信装置发送至根据惯性导航与触感校正计算位置的服务器。
配备压力传感器和陀螺仪的乒乓球拍：乒乓球拍由球拍面和球拍柄构成；乒乓球拍面由基板和粘贴在基板上的左右胶皮构成，胶皮与基板之间部署多个压力传感器，拍面被划分为多个撞击区域，压力传感器部署在撞击区域的中心位置，压力传感器获取压力传感数据，然后将压力传感数据发送至根据惯性导航与触感校正计算位置的服务器；球拍柄内部署三轴陀螺仪，三轴陀螺仪获取球拍的陀螺力矩数据，然后将陀螺力矩数据发送至根据惯性导航与触感校正计算位置的服务器。本实施例中，乒乓球拍面被划分为12个区域，区域中心部署压电薄膜传感器，压电薄膜传感器获取电压数据，然后将电压数据发送至根据惯性导航与触感校正计算位置的服务器，如图5所示，标号31表示乒乓拍面，标号32表示乒乓球拍柄，标号311表示乒乓球拍面基板，标号312表示分布与乒乓球拍面的压电薄膜传感器，标号313表示乒乓球拍面胶皮，标号321表示三轴陀螺仪。球拍柄内部署的三轴陀螺仪获取陀螺力矩数据，然后将陀螺力矩数据发送至根据惯性导航与触感校正计算位置的服务器。
具有惯性导航功能的乒乓球：乒乓球内部署陀螺仪和加速度仪，陀螺仪和加速度仪部署在与乒乓球紧密贴合的柔性材料中，陀螺仪获取乒乓球的陀螺力矩数据，然后将陀螺力矩数据发送至根据惯性导航与触感校正计算位置的服务器，加速度仪获取乒乓球的加速度数据，然后将加速度数据发送至根据惯性导航与触感校正计算位置的服务器。本实施例中，乒乓球内部署的陀螺仪获取乒乓球的陀螺力矩数据，加速度仪获取乒乓球的加速度数据，，然后将获得的陀螺力矩数据和加速度数据发送至根据惯性导航与触感校正计算位置的服务器，其中，陀螺仪和加速度仪采用标准部件，封装在与乒乓球紧密贴合的定制柔性材料中，如图6所示，用黑色实心薄膜表示定制的柔性材料，陀螺仪和加速度仪包含在其中。
根据惯性导航与触感校正计算位置的服务器：获取具有惯性导航功能的乒乓球发送的陀螺力矩数据和加速度数据，计算乒乓球的运动方向和运动速度，估算乒乓球的实时位置；获取球台、球网、球拍的传感器数据，计算乒乓球撞击球台、球网以及球拍时的位置；根据乒乓球的撞击位置校正和更新乒乓球的实时位置。本实施例中，首先建立用于乒乓球定位的空间坐标系，然后根据乒乓球发送的陀螺力矩数据和加速度数据计算乒乓球的运动方向和运动速度数据，从已知坐标的乒乓球起始位置开始采用已有的速度矢量计算方法计算乒乓球的实时位置坐标；其中起始位置可以是乒乓球撞击球台、球网或球拍的位置；乒乓球撞击球台的位置可以通过基于压电薄膜传感器的方案或通过基于光电传感器的方案计算，乒乓球撞击球网的位置可以通过基于压电薄膜传感器和光电传感器相结合的方案计算，乒乓球被球拍撞击的位置可以通过基于压电薄膜传感器和陀螺仪相结合的方案计算；通过乒乓球球台、球网或球拍的位置坐标值校正和更新乒乓球实时位置坐标。
当然，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上实施例仅是用来说明本发明的，而并非作为对本发明的限定，只要在本发明的范围内，对以上实施例的变化、变型都将落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于惯性导航与触感校正定位的乒乓球运动系统，其特征在于由可识别乒乓球撞击位置的乒乓球台、配备压力传感器和光电传感器的乒乓球网、配备压力传感器和陀螺仪的乒乓球拍、具有惯性导航功能的乒乓球以及根据惯性导航与触感校正计算位置的服务器组成。
2.根据权利要求1所述的基于惯性导航与触感校正定位的乒乓球运动系统，其可识别乒乓球撞击位置的乒乓球台的特征在于：乒乓球台上部署用于识别乒乓球撞击位置的传感器，球台面被划分为多个撞击区域，当乒乓球撞击乒乓球台时用于识别乒乓球撞击位置的传感器获取撞击数据，然后将撞击数据发送至根据惯性导航与触感校正计算位置的服务器。
3.根据权利要求1所述的基于惯性导航与触感校正定位的乒乓球运动系统，其配备压力传感器和光电传感器的乒乓球网的特征在于：乒乓球网由网面和两端的固定杆构成；乒乓球网面上部署多个压力传感器，乒乓球网被划分为多个撞击区域，压力传感器部署在撞击区域的中心位置，压力传感器获取压力传感数据，然后将压力传感数据发送至根据惯性导航与触感校正计算位置的服务器；乒乓球网两端固定杆上部署多个遮光式光电传感设备，遮光式光电传感设备的部署位置高于球网顶端，遮光式光电传感设备获取光电感应数据，然后将光电感应数据发送至根据惯性导航与触感校正计算位置的服务器。
4.根据权利要求1所述的基于惯性导航与触感校正定位的乒乓球运动系统，其配备压力传感器和陀螺仪的乒乓球拍的特征在于：乒乓球拍由球拍面和球拍柄构成；乒乓球拍面由基板和粘贴在基板上的左右胶皮构成，胶皮与基板之间部署多个压力传感器，拍面被划分为多个撞击区域，压力传感器部署在撞击区域的中心位置，压力传感器获取压力传感数据，然后将压力传感数据发送至根据惯性导航与触感校正计算位置的服务器；球拍柄内部署三轴陀螺仪，三轴陀螺仪获取球拍的陀螺力矩数据，然后将陀螺力矩数据发送至根据惯性导航与触感校正计算位置的服务器。
5.根据权利要求1所述的基于惯性导航与触感校正定位的乒乓球运动系统，其具有惯性导航功能的乒乓球的特征在于：乒乓球内部署陀螺仪和加速度仪，陀螺仪和加速度仪部署在与乒乓球紧密贴合的柔性材料中，陀螺仪获取乒乓球的陀螺力矩数据，然后将陀螺力矩数据发送至根据惯性导航与触感校正计算位置的服务器，加速度仪获取乒乓球的加速度数据，然后将加速度数据发送至根据惯性导航与触感校正计算位置的服务器。
6.根据权利要求1所述的基于惯性导航与触感校正定位的乒乓球运动系统，其根据惯性导航与触感校正计算位置的服务器的特征在于：获取具有惯性导航功能的乒乓球发送的陀螺力矩数据和加速度数据，计算乒乓球的运动方向和运动速度，估算乒乓球的实时位置；获取球台、球网、球拍的传感器数据，计算乒乓球撞击球台、球网以及球拍时的位置；根据乒乓球的撞击位置校正和更新乒乓球的实时位置。
7.根据权利要求2所述的基于惯性导航与触感校正定位的乒乓球运动系统，其可识别乒乓球撞击位置的乒乓球台的特征在于：基于压电薄膜传感器获取乒乓球撞击位置；乒乓球台面均匀部署具有编号的压电薄膜传感器，球台面被划分为具有编号的撞击区域。
8.根据权利要求2所述的基于惯性导航与触感校正定位的乒乓球运动系统，其可识别乒乓球撞击位置的乒乓球台的特征在于：基于光电传感器获取乒乓球撞击位置；乒乓球台面四周部署遮光式光电传感设备，遮光式光电传感设备获取光电感应数据，然后将光电感应数据发送至根据惯性导航与触感校正计算位置的服务器。
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