CN107907128B - 一种基于触感反馈的乒乓球定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于触感反馈的乒乓球定位方法及系统。其系统包括获取触感反馈数据判断乒乓球是否撞击球桌模块、计算撞击位置坐标值模块、计算乒乓球位置坐标值模块。触感反馈传感器获取球桌的触感反馈数据，然后发送至服务器，乒乓球内部署的陀螺仪和加速度仪获取乒乓球运动数据，然后发送至服务器，服务器存储数据，采用相对位移的算法计算乒乓球撞击球桌区间内的乒乓球的位置坐标值。本发明解决了基于物联网的乒乓球运动系统不能简单有效地计算处于运动状态的乒乓球的实时位置的问题。

Description

一种基于触感反馈的乒乓球定位方法及系统

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触感反馈的乒乓球定位方法及系统。

背景技术

目前对乒乓球运动定位的方案主要有两类，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乒乓球的位置，该方法的缺点是计算复杂度高。

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撞击而产生的震动信号，比较多个震动信号的强度和产生时间，从而计算出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。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是基于物联网的乒乓球运动系统不能简单有效地计算处于运动状态的乒乓球的实时位置的问题，提出一种基于触感反馈的乒乓球定位方法及系统。

本发明的实施基础是基于触感反馈定位技术的乒乓球运动系统，其结构如图1所示，乒乓球桌上安装用于收集乒乓球撞击球桌位置的触感反馈传感器，乒乓球内安装陀螺仪和加速度仪。触感反馈传感器获取球桌的触感反馈数据，然后发送至服务器，乒乓球内部署的陀螺仪和加速度仪获取乒乓球运动数据，然后发送至服务器，服务器存储数据，计算乒乓球的实时位置。

本发明的前置基础是已建立三维空间坐标系，三维空间坐标系原点为乒乓球桌正中心，x轴和y轴组成水平面，z轴垂直于桌面向上。设置采样时间间隔T，采样时间间隔T小于乒乓球两次撞击球桌的平均时间间隔(根据历史数据统计获得)；设置判断乒乓球撞击的触感反馈数据阈值X。

本发明的基于触感反馈的乒乓球定位系统，包括获取触感反馈数据判断乒乓球是否撞击球桌模块、计算撞击位置坐标值模块、计算乒乓球位置坐标值模块。

获取触感反馈数据判断乒乓球是否撞击球桌模块：服务器根据采样时间间隔T获取乒乓球桌触感反馈装置发送的触感反馈数据和乒乓球的运动数据，如果乒乓球桌触感反馈数据(例如压力数据或电压数据)大于X，则判定乒乓球撞击球桌，进入计算撞击位置坐标值模块；否则判定乒乓球没有撞击球桌，记录此时乒乓球运动速度v的值、乒乓球运动方向与x轴夹角α的值、乒乓球运动方向与y轴夹角β的值、乒乓球运动方向与z轴夹角γ的值，进入计算乒乓球位置坐标值模块。

计算撞击位置坐标值模块：根据触感反馈数据及乒乓球桌在三维坐标系中的位置计算乒乓球撞击位置坐标值，以撞击位置坐标值为当前乒乓球位置坐标(x,y,z)的值，返回获取触感反馈数据判断乒乓球是否撞击球桌模块。

计算乒乓球位置坐标值模块：调取前一次数据收集时乒乓球的位置坐标值；两次数据收集的采样时间间隔T内，乒乓球在x、y、z三轴方向的相对位移分别用Δx、Δy、Δz表示，Δx＝v·cosα·T，Δy＝v·cosβ·T，Δz＝v·cosγ·T，将前一次数据收集时乒乓球的位置三轴坐标值分别叠加Δx、Δy和Δz，计算出当前乒乓球位置坐标(x,y,z)的值，返回获取触感反馈数据判断乒乓球是否撞击球桌模块。

基于触感反馈的乒乓球定位系统的系统框图如图2所示。

本发明的基于触感反馈的乒乓球定位方法按以下步骤：

步骤1、设置初始值。

设置采样时间间隔T，采样时间间隔T小于乒乓球两次撞击球桌的平均时间间隔(根据历史数据统计获得)；设置判断乒乓球撞击的触感反馈数据阈值X；设置数据收集次数i的初始值为1；设置对局初始位置坐标值(x₀,y₀,z₀)＝(0,0,0)。

步骤2、获取触感反馈数据判断乒乓球是否撞击球桌。

服务器根据采样时间间隔T获取乒乓球桌触感反馈装置发送的触感反馈数据和乒乓球的运动数据，如果乒乓球桌触感反馈数据(例如压力数据或电压数据)大于X，则判定乒乓球撞击球桌，进入步骤3；否则判定乒乓球没有撞击球桌，记录此时(第i次)的乒乓球运动速度为v_i、乒乓球运动方向与x轴夹角为α_i、乒乓球运动方向与y轴夹角为β_i、乒乓球运动方向与z轴夹角为γ_i，进入步骤4。

步骤3、计算撞击位置坐标值。

根据触感反馈数据及乒乓球桌在三维坐标系中的位置计算乒乓球撞击位置坐标值，以撞击位置坐标值为当前乒乓球的位置坐标值，记为(x_i,y_i,z_i)，令i＝i+1，返回步骤2。

步骤4、计算乒乓球位置坐标值。

若(x_i-1,y_i-1,z_i-1)＝(0,0,0)，则第i次的乒乓球位置坐标值(x_i,y_i,z_i)＝(0,0,0)，令i＝i+1，返回步骤2；否则计算第i-1次到第i次的采样时间间隔T内乒乓球的相对位移，在x、y、z轴三个方向的相对位移分别用Δx_i、Δy_i、Δz_i表示，Δx_i＝v_i·cosα_i·T，Δy_i＝v_i·cosβ_i·T，Δz_i＝v_i·cosγ_i·T，则第i次的乒乓球位置坐标值(x_i,y_i,z_i)＝(x_i-1+Δx_i,y_i-1+Δy_i,z_i-1+Δz_i)，令i＝i+1，返回步骤2。

基于触感反馈的乒乓球定位方法流程图，如图3所示。

本发明的方法及系统具有的优点是：

(1)通过触感反馈定位技术的应用，可以简便地进行乒乓球运动定位。

(2)采用相对位移的算法计算乒乓球撞击球桌区间内的乒乓球的位置坐标值，使乒乓球位置数据更准确。

附图说明

图1是本发明的基于触感反馈乒乓球定位的乒乓球运动系统的结构示意图；

图2是本发明的基于触感反馈的乒乓球定位系统框图；

图3是本发明的基于触感反馈的乒乓球定位方法流程图；

图4是本发明实施例的乒乓球对局三维空间坐标系示意图；

具体实施方式

下面对本发明优选实施例作详细说明。

本发明的实施基础是基于触感反馈定位技术的乒乓球运动系统，其结构如图1所示，乒乓球桌上安装用于收集乒乓球撞击球桌位置的触感反馈传感器，乒乓球内安装陀螺仪和加速度仪。触感反馈传感器获取球桌的触感反馈数据，然后发送至服务器，乒乓球内部署的陀螺仪和加速度仪获取乒乓球运动数据，然后发送至服务器，服务器存储数据，计算乒乓球的实时位置。

本发明的前置基础是已建立三维空间坐标系，三维空间坐标系原点为乒乓球桌正中心，x轴和y轴组成水平面，z轴垂直于桌面向上。设置采样时间间隔T，采样时间间隔T小于乒乓球两次撞击球桌的平均时间间隔(根据历史数据统计获得)；设置判断乒乓球撞击的触感反馈数据阈值X。本发明实施例中事先已建立三维空间坐标系，该坐标系的原点为乒乓球桌正中心，乒乓球桌正中心是指乒乓球网中心轴与乒乓球桌的交点，x轴沿乒乓球桌窄边向右，y轴沿乒乓球桌中轴线向右，z轴垂直于桌面向上，如图4所示。设置采样时间间隔T＝1毫秒(ms)；设置判断乒乓球撞击的触感反馈数据阈值X＝1牛顿。

本发明的基于触感反馈的乒乓球定位系统，包括获取触感反馈数据判断乒乓球是否撞击球桌模块、计算撞击位置坐标值模块、计算乒乓球位置坐标值模块。

获取触感反馈数据判断乒乓球是否撞击球桌模块：服务器根据采样时间间隔T获取乒乓球桌触感反馈装置发送的触感反馈数据和乒乓球的运动数据，如果乒乓球桌触感反馈数据(例如压力数据或电压数据)大于X，则判定乒乓球撞击球桌，进入计算撞击位置坐标值模块；否则判定乒乓球没有撞击球桌，记录此时乒乓球运动速度v的值，乒乓球运动方向与x轴夹角α的值、乒乓球运动方向与y轴夹角β的值、乒乓球运动方向与z轴夹角γ的值，进入计算乒乓球位置坐标值模块。本实施例中，乒乓球桌采用压电薄膜传感器作为触感反馈传感器，如果乒乓球桌触感反馈数据大于X，则判定乒乓球撞击球桌。第3次收集数据时乒乓球碰撞桌面所产生的压力值为5牛顿>X＝1牛顿，因此判定乒乓球撞击球桌，进入计算撞击位置坐标值模块。

计算撞击位置坐标值模块：根据触感反馈数据及乒乓球桌在三维坐标系中的位置计算乒乓球撞击位置坐标值，以撞击位置坐标值为当前乒乓球位置坐标(x,y,z)的值，返回获取触感反馈数据判断乒乓球是否撞击球桌模块。本实施中，根据桌面上压电薄膜传感器的分布得到不同撞击区域的坐标值范围，当乒乓球落入某触感区域时可以直接计算出乒乓球的触点坐标值。第3次收集数据时进入该模块，根据乒乓球桌发生乒乓球碰撞的压电薄膜传感器区域的坐标范围计算得到撞击位置坐标值，即当前乒乓球位置坐标(x,y,z)＝(0.2,-0.5,0)，返回获取触感反馈数据判断乒乓球是否撞击球桌模块。

第4次收集数据时乒乓球桌的压电薄膜传感器数据为0.3牛顿，因此判定乒乓球没有撞击球桌，此时乒乓球运动速度为v＝30m/s(米每秒)，乒乓球运动方向与x轴夹角记为α＝105°，乒乓球运动方向与y轴夹角记为β＝75°，乒乓球运动方向与z轴夹角记为γ＝25°，进入计算乒乓球位置坐标值模块。

计算乒乓球位置坐标值模块：调取前一次数据收集时乒乓球的位置坐标值；两次数据收集的采样时间间隔T内，乒乓球在x、y、z三轴方向的相对位移分别用Δx、Δy、Δz表示，Δx＝v·cosα·T，Δy＝v·cosβ·T，Δz＝v·cosγ·T，将前一次数据收集时乒乓球的位置三轴坐标值分别叠加Δx、Δy和Δz，计算出当前乒乓球位置坐标(x,y,z)的值，返回获取触感反馈数据判断乒乓球是否撞击球桌模块。本实施例中，第4次数据收集时进入该模块，此时第3次数据收集时乒乓球的位置坐标值为(0.2,-0.5,0)，计算第3次到第4次的时间T内乒乓球的相对位移Δx＝v·cosα·T＝-0.0776，Δy＝v·cosβ·T＝0.078，Δz＝v·cosγ·T＝0.027，因此第4次数据收集时乒乓球的位置坐标值(x,y,z)＝(0.1224,-0.422,0.027)，返回获取触感反馈数据判断乒乓球是否撞击球桌模块。

本发明的基于触感反馈的乒乓球定位方法按以下步骤：

步骤1、设置初始值。

设置采样时间间隔T，采样时间间隔T小于乒乓球两次撞击球桌的平均时间间隔(根据历史数据统计获得)；设置判断乒乓球撞击的触感反馈数据阈值X；设置数据收集次数i的初始值为1；设置对局初始位置坐标值(x₀,y₀,z₀)＝(0,0,0)。本实施例中，设置采样时间间隔T＝1ms(毫秒)；设置判断乒乓球撞击的触感反馈数据阈值X＝1牛顿；设置数据收集次数i的初始值为1；设置对局初始位置坐标值(x₀,y₀,z₀)＝(0,0,0)。

步骤2、获取触感反馈数据判断乒乓球是否撞击球桌。

服务器根据采样时间间隔T获取乒乓球桌触感反馈装置发送的触感反馈数据和乒乓球的运动数据，如果乒乓球桌触感反馈数据(例如压力数据或电压数据)大于X，则判定乒乓球撞击球桌，进入步骤3；否则判定乒乓球没有撞击球桌，记录此时(第i次)的乒乓球运动速度为v_i，乒乓球运动方向与x轴夹角为α_i、乒乓球运动方向与y轴夹角为β_i、乒乓球运动方向与z轴夹角为γ_i，进入步骤4。本实施例中，乒乓球桌采用压电薄膜传感器作为触感反馈传感器，如果乒乓球桌触感反馈数据大于1牛顿，则判定乒乓球撞击球桌。第3次收集数据时乒乓球碰撞桌面所产生的压力值为5牛顿>X＝1牛顿，因此判定乒乓球撞击球桌，进入步骤3。

步骤3、计算撞击位置坐标值。

根据触感反馈数据及乒乓球桌在三维坐标系中的位置计算乒乓球撞击位置坐标值，以撞击位置坐标值为当前乒乓球的位置坐标值，记为(x_i,y_i,z_i)，令i＝i+1，返回步骤2。本实施中，根据桌面上压电薄膜传感器的分布得到不同撞击区域的坐标值范围，当乒乓球落入某触感区域时可以直接计算出乒乓球的触点坐标值。第3次收集数据时(i＝3)进入该模块，根据乒乓球桌发生乒乓球碰撞的压电薄膜传感器区域的坐标范围计算得到撞击位置坐标值，即当前乒乓球位置坐标(x₃,y₃,z₃)＝(0.2,-0.5,0)，令i＝i+1＝4，返回步骤2。

i＝4时乒乓球桌的压电薄膜传感器数据为0.3牛顿，因此判定乒乓球没有撞击球桌，此时乒乓球运动速度为v＝30m/s(米每秒)，乒乓球运动方向与x轴夹角记为α＝105°，乒乓球运动方向与y轴夹角记为β＝75°，乒乓球运动方向与z轴夹角记为γ＝25°，进入步骤4。

步骤4、计算乒乓球位置坐标值。

若(x_i-1,y_i-1,z_i-1)＝(0,0,0)，则第i次的乒乓球位置坐标值(x_i,y_i,z_i)＝(0,0,0)，令i＝i+1，返回步骤2；否则计算第i-1次到第i次的采样时间间隔T内乒乓球的相对位移，在x、y、z轴三个方向的相对位移分别用Δx_i、Δy_i、Δz_i表示，Δx_i＝v_i·cosα_i·T，Δy_i＝v_i·cosβ_i·T，Δz_i＝v_i·cosγ_i·T，则第i次的乒乓球位置坐标值(x_i,y_i,z_i)＝(x_i-1+Δx_i,y_i-1+Δy_i,z_i-1+Δz_i)，令i＝i+1，返回步骤2。本实施例中，i＝4时进入该步骤，此时(x₃,y₃,z₃)＝(0.2,-0.5,0)≠(0,0,0)，因此计算第3次到第4次的采样时间间隔T内乒乓球的相对位移，在x、y、z轴三个方向的相对位移分别用Δx_i、Δy_i、Δz_i表示，则Δx₄＝v₄·cosα₄·T＝-0.0776，Δy₄＝v₄·cosβ₄·T＝0.078，Δz₄＝v₄·cosγ₄·T＝0.027，即第4次的乒乓球位置坐标值(x₄,y₄,z₄)＝(x_i-1+Δx_i,y_i-1+Δy_i,z_i-1+Δz_i)＝(0.1224,-0.422,0.027)，令i＝i+1＝5，返回步骤2。

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 (1)

1.一种基于触感反馈的乒乓球定位方法，其特征在于包括：

步骤1、设置初始值；

设置采样时间间隔T；设置判断乒乓球撞击的触感反馈数据阈值X；设置数据收集次数i的初始值为1；设置对局初始位置坐标值(x₀,y₀,z₀)＝(0,0,0)；

步骤2、获取触感反馈数据判断乒乓球是否撞击球桌；

服务器根据采样时间间隔T获取乒乓球桌触感反馈装置发送的触感反馈数据和乒乓球的运动数据，如果乒乓球桌触感反馈数据大于X，则判定乒乓球撞击球桌，进入步骤3；否则判定乒乓球没有撞击球桌，记录此时的乒乓球运动速度为v_i、乒乓球运动方向与x轴夹角为α_i、乒乓球运动方向与y轴夹角为β_i、乒乓球运动方向与z轴夹角为γ_i，进入步骤4；

步骤3、计算撞击位置坐标值；

根据乒乓球桌在三维坐标系中的位置计算乒乓球撞击位置坐标值，以撞击位置坐标值为当前乒乓球的位置坐标值，记为(x_i,y_i,z_i)，令i＝i+1，返回步骤2；

步骤4、计算乒乓球位置坐标值；

若(x_i-1,y_i-1,z_i-1)＝(0,0,0)，则第i次的乒乓球位置坐标值(x_i,y_i,z_i)＝(0,0,0)，令i＝i+1，返回步骤2；否则计算第i-1次到第i次的采样时间间隔T内乒乓球的相对位移，在x、y、z轴三个方向的相对位移分别用Δx_i、Δy_i、Δz_i表示，Δx_i＝v_i·cosα_i·T，Δy_i＝v_i·cosβ_i·T，Δz_i＝v_i·cosγ_i·T，则第i次的乒乓球位置坐标值(x_i,y_i,z_i)＝(x_i-1+Δx_i,y_i-1+Δy_i,z_i-1+Δz_i)，令i＝i+1，返回步骤2。

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