CN108671505B - 一种羽毛球运动辅助系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种羽毛球运动辅助系统及其控制方法，包括移动终端以及设置在羽毛球拍柄上的数据采集模块，数据采集模块与移动终端之间采用无线方式通讯；数据采集模块至少包括电源复位模块、主控芯片、数据采集传感器和无线通讯模块，其中，电源复位模块用于为数据采集模块提供供电电压；数据采集传感器用于采集羽毛球拍的运动数据信息；主控芯片用于将采集的运动数据信息通过无线通讯模块发送至移动终端；移动终端中设置数据处理模块，数据处理模块用于对接收到的运动数据信息进行处理并识别击球动作后反馈给用户。采用本发明技术方案，通过记录用户羽毛球运动数据，实现羽毛球击球动作识别等运动分析，从而提高用户的运动体验。

Description

一种羽毛球运动辅助系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及检测及识别领域，是一种及数据采集、数据处理的软硬件集成系统，尤其涉及一种羽毛球运动辅助系统及其控制方法。

背景技术

目前，市场上针对运动的辅助设备主要是智能穿戴设备，完成对用户运动数据的记录以分析用户的运动状况。在跑步等简单运动上，存在许多技术方案，而针对羽毛球等较为复杂专业的运动，技术方案较少。

现有技术中，市场上针对羽毛球击球动作类型识别方法主要是基于视频监控然后通过图像处理技术进行识别，基于图像和视频处理的识别技术主要用利用摄像机拍摄捕捉运动员挥拍动作信息从而进行分析，这种方式依赖于图像和视频分析处理。同时高速摄像机价格昂贵，携带不便，只适用于专业比赛或训练的场景，适用用户范围严重受限。并且该技术要求对硬件平台处理能力要求都较高。

另一方面，目前市场上基于传感器的识别技术算法复杂，需要连接网络至云端进行分析，用户体验差。因此有必要提供一种离线的羽毛球击球的动作识别系统，优化用户体验。

故，针对现有技术的缺陷，实有必要提出一种技术方案以解决现有技术存在的技术问题。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种羽毛球运动辅助系统及其控制方法，通过记录用户羽毛球运动数据，将数据进行处理，实现羽毛球击球动作识别等运动分析，从而提高用户的运动体验。

为了解决现有技术存在的技术问题，本发明的技术方案如下：

一种羽毛球运动辅助系统，包括移动终端以及设置在羽毛球拍柄上的数据采集模块，所述数据采集模块与移动终端之间采用无线方式通讯；

所述数据采集模块至少包括电源复位模块、主控芯片、数据采集传感器和无线通讯模块，其中，所述电源复位模块用于为数据采集模块提供供电电压；所述数据采集传感器用于采集羽毛球拍的运动数据信息；所述主控芯片用于将采集的运动数据信息通过所述无线通讯模块发送至所述移动终端；

所述数据采集传感器至少采集六轴信号；

所述移动终端中设置数据处理模块，所述数据处理模块用于对接收到的运动数据信息进行处理并识别击球动作后反馈给用户，该数据处理模块至少执行以下步骤：

步骤S1：记第t时刻采集到的三轴加速度信号为a_xt，a_yt，a_zt，三轴角速度为j_xt，j_yt，j_zt；分别计算t时刻的合加速度A_t，加速度方差D_t，合角速度J_t；计算公式如下：

D_t＝(|a_xt|-A_t)²+(|a_yt|-A_t)²+(|a_zt|-A_t)²

步骤S2：设D(t)为t时刻采集计算得到的加速度方差，U为设置的门限阀值，将D(t)与前后m个采样点逐个进行比较，若：

D(t)-D(t±m)≥U；

则t时刻的采样点可判断为挥拍数据点；合并相邻的连续挥拍动作点，并检测出可能包含运动信息的数据段，将数据段内的最大值点所对应的时间点视作挥拍动作捕捉点，记为(A_T,J_T,D_T)；

步骤S3：设已知的若干种标准击球动作的合加速度中心为C_A1,C_A2,…,C_An；合角速度中心为C_J1,C_J2,…,C_Jn；加速度方差中心C_D1,C_D2,…,C_Dn；计算动作捕捉点与各个标准动作的各中心的总距离S₁,S₂,…,S_n；计算公式如下：

步骤S4：找出S₁,S₂,…,S_n中的最短距离S_I，则这次动作捕捉点判别为第I种击球动作。

作为优选技术方案，所述数据采集传感器采用九轴传感器。

作为优选技术方案，所述无线通讯模块采用蓝牙模块或ZigBee模块。

作为优选技术方案，所述主控芯片采用单片机或嵌入式芯片。

作为优选技术方案，所述移动终端为智能手机。

本发明还公开了一种羽毛球运动辅助控制方法，包括以下步骤：

步骤1：设置在羽毛球拍柄上的数据采集模块采集运动数据信息并以无线方式发送至所述移动终端；

步骤2：移动终端中设置数据处理模块，以对接收到的运动数据信息进行处理并识别击球动作后反馈给用户；其中，该数据处理模块至少执行以下步骤：

步骤S1：记第t时刻采集到的三轴加速度信号为a_xt，a_yt，a_zt，三轴角速度为j_xt，j_yt，j_zt；分别计算t时刻的合加速度A_t，加速度方差D_t，合角速度J_t；计算公式如下：

D_t＝(|a_xt|-A_t)²+(|a_yt|-A_t)²+(|a_zt|-A_t)²

步骤S2：设D(t)为t时刻采集计算得到的加速度方差，U为设置的门限阀值，将D(t)与前后m个采样点逐个进行比较，若：

D(t)-D(t±m)≥U；

则t时刻的采样点可判断为挥拍数据点；合并相邻的连续挥拍动作点，并检测出可能包含运动信息的数据段，将数据段内的最大值点所对应的时间点视作挥拍动作捕捉点，记为(A_T,J_T,D_T)；

步骤S3：设已知的若干种标准击球动作的合加速度中心为C_A1,C_A2,…,C_An；合角速度中心为C_J1,C_J2,…,C_Jn；加速度方差中心C_D1,C_D2,…,C_Dn；计算动作捕捉点与各个标准动作的各中心的总距离S₁,S₂,…,S_n；计算公式如下：

步骤S4：找出S₁,S₂,…,S_n中的最短距离S_I，则这次动作捕捉点判别为第I种击球动作。

与现有技术相比较，本发明具有如下技术效果：

1、本发明相比市场上基于视频技术的动作识别技术方案，成本低，携带方便，适合普通的羽毛球爱好者。

2、本发明相比目前市场上主流的基于传感器的动作识别技术方案，软件方面采用了离线的数据处理方式，适用的运动场景更多，极大地提高了用户的使用体验。

3、本发明与市场上专业的运动比赛设备不同，在完成羽毛球求击球动作识别的同时，综合分析了用户运动状况，提高用户的运动体验。

附图说明

图1为本发明一种羽毛球运动辅助系统的原理框图。

图2为本发明中数据采集模块的原理框图。

图3为本发明中移动终端中的算法流程图。

其中，1表示羽毛球拍，2表示数据采集模块，3表示数据采集模块与手机之间采用无线通信进行数据传输，4表示移动手机端。

如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明提供的技术方案作进一步说明。

与现有技术相比，本发明提供一种羽毛球运动辅助系统及其控制方法，其是基于传感器的识别技术。基于传感器的识别技术则主要利用加速度传感器已经陀螺仪，测量运动过程中的运动信息，通过采集速度以及角速度等参数信息来进一步分析处理，进而识别击球动作。基于传感器的动作识别技术，体积小，携带方便，适用于普通羽毛球爱好者。

参见图1，所示为本发明一种羽毛球运动辅助系统的原理框图，包括移动终端以及设置在羽毛球拍柄上的数据采集模块，所述数据采集模块与移动终端之间采用无线方式通讯；

硬件方面，采集数据需要我们将数据采集模块固定在羽毛球拍柄上，因此对于模块的大小有要求。合适的设计能使模块尽可能完美的满足要求。因此我们将数据的处理部分放在了移动终端上，这样做的好处在于尽可能是硬件系统相对简洁，既有利于减少硬件系统的功耗，提高系统的工作时长，又有利于减少硬件配件，减少体积和重量，不影响用户打球时的运动体验。

参见图2，所示为本发明中数据采集模块的原理框图，至少包括电源复位模块、主控芯片、数据采集传感器和无线通讯模块，其中，所述电源复位模块用于为数据采集模块提供供电电压；所述数据采集传感器用于采集羽毛球拍的运动数据信息；所述主控芯片用于将采集的运动数据信息通过所述无线通讯模块发送至所述移动终端；所述移动终端中设置数据处理模块，所述数据处理模块用于对接收到的运动数据信息进行处理并识别击球动作后反馈给用户。

所述数据采集传感器至少采集六轴信号；

其中，在一种优选实施方式中，主控芯片带有闪存，用于将暂时不能同步传输到软件端的数据存储起来，等待用户自己同步数据。传感器采用了MPU9250九轴传感器，我们将取用其中的六轴数据。当系统处于工作状态时，MPU9250传感器将采集挥拍时的九轴数据，并传输到主控芯片，再有主控芯片通过蓝牙模块发出，由软件端接收。到此，硬件系统完成一次数据采集和传输。其中，数据的采样频率为10HZ，数据的发送格式如下：

加速度X

加速度Y

加速度Z

角速度X

角速度Y

角速度Z

参见图3，所示为本发明中移动终端中的算法流程图，对收到的六轴信号进行处理，完成如下算法：

步骤S1：记第t时刻采集到的三轴加速度信号为a_xt，a_yt，a_zt，三轴角速度为j_xt，j_yt，j_zt。分别计算t时刻的合加速度A_t，加速度方差D_t，合角速度J_t。计算公式如下：

D_t＝(|a_xt|-A_t)²+(|a_yt|-A_t)²+(|a_zt|-A_t)²

步骤S2：设D(t)为t时刻采集计算得到的加速度方差，U为设置的门限阀值，一般根据用户运动数据特征取10至20之间。将D(t)与前后m个采样点逐个进行比较，若：

D(t)-D(t±m)≥U

则t时刻的采样点可判断为挥拍数据点。合并相邻的连续挥拍动作点，即可检测出可能包含运动信息的数据段，将数据段内的最大值点所对应的时间点视作挥拍动作捕捉点，记为(A_T,J_T,D_T)。

步骤S3：设已知的若干种标准击球动作的合加速度中心为C_A1,C_A2,…,C_An；合角速度中心为C_J1,C_J2,…,C_Jn；加速度方差中心C_D1,C_D2,…,C_Dn。计算动作捕捉点与各个标准动作的各中心的总距离S₁,S₂,…,S_n；计算公式如下：

步骤S4：找出S₁,S₂,…,S_n中的最短距离S_I，则这次动作捕捉点判别为第I种击球动作，即这次动作捕捉点与某类标准动作的各中心的总距离最近，则将这次动作判别为这类动作。本发明采用距离算法，从而能够快速准备的实现动作识别，也大大降低了硬件设备，从而无需通过云端进行大数据计算，在智能手机中就能实现动作识别，能够大大提高用户的运动体验。

移动手机端完成上述数据处理后，将识别的击球动作反馈给用户，同时附带一些其他运动信息，例如运动时间，运动消耗的能量等，综合分析用户的运动状况，提高用户的运动体验。

使用本技术方案，实现了基于传感器的羽毛球击球动作识别；同时硬件系统轻便、简易，不需要用户接入网络，在不影响用户运动体验的条件下完成运动数据的采集；用户在羽毛球运动过程中，可以从移动手机端实时知晓到自己完成各类羽毛球击球动作的次数、运动的时长、运动消耗的能量等运动数据，通过这些数据，用户可以全方位评估本次运动的效果，提高用户的运动体验。

另外需要指出的是：

1、数据采集模块和移动手机端的连接方式不仅可以使用蓝牙技术，还可以使用USB数据线等有线连接方式，也可以使用ZigBee等其他无线连接技术；

2、数据采集模块的传感器不仅可以使用MPU-9250，还可以使用其他型号的九轴传感器；

3、数据采集模块的主控芯片支持市场上各种控制单元；

4、软件搭载的具体平台不一定要求是手机，还可以是个人电脑、平板等电子设备；

5、标准动作的各类中心由测试得到，可以不断增加；

6、本技术方案不仅适用于羽毛球运动，类似的如网球、乒乓球等球拍类运动均可移植。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种羽毛球运动辅助系统，其特征在于，包括移动终端以及设置在羽毛球拍柄上的数据采集模块，所述数据采集模块与移动终端之间采用无线方式通讯；

所述数据采集模块至少包括电源复位模块、主控芯片、数据采集传感器和无线通讯模块，其中，所述电源复位模块用于为数据采集模块提供供电电压；所述数据采集传感器用于采集羽毛球拍的运动数据信息；所述主控芯片用于将采集的运动数据信息通过所述无线通讯模块发送至所述移动终端；

所述数据采集传感器至少采集六轴信号；

所述移动终端中设置数据处理模块，所述数据处理模块用于对接收到的运动数据信息进行处理并识别击球动作后反馈给用户，该数据处理模块至少执行以下步骤：

步骤S1：记第t时刻采集到的三轴加速度信号为a_xt，a_yt，a_zt，三轴角速度为j_xt，j_yt，j_zt；分别计算t时刻的合加速度A_t，加速度方差D_t，合角速度J_t；计算公式如下：

D_t＝(|a_xt|-A_t)²+(|a_yt|-A_t)²+(|a_zt|-A_t)²

步骤S2：设D(t)为t时刻采集计算得到的加速度方差，U为设置的门限阀值，将D(t)与前后m个采样点逐个进行比较，若：

D(t)-D(t±m)≥U；

则t时刻的采样点可判断为挥拍数据点；合并相邻的连续挥拍动作点，并检测出可能包含运动信息的数据段，将数据段内的最大值点所对应的时间点视作挥拍动作捕捉点，记为(A_T,J_T,D_T)；

步骤S3：设已知的若干种标准击球动作的合加速度中心为C_A1,C_A2,…,C_An；合角速度中心为C_J1,C_J2,…,C_Jn；加速度方差中心C_D1,C_D2,…,C_Dn；计算动作捕捉点与各个标准动作的各中心的总距离S₁,S₂,…,S_n；计算公式如下：

步骤S4：找出S₁,S₂,…,S_n中的最短距离S_I，则这次动作捕捉点判别为第I种击球动作。

2.根据权利要求1所述的羽毛球运动辅助系统，其特征在于，所述数据采集传感器采用九轴传感器。

3.根据权利要求1或2所述的羽毛球运动辅助系统，其特征在于，所述无线通讯模块采用蓝牙模块或ZigBee模块。

4.根据权利要求1或2所述的羽毛球运动辅助系统，其特征在于，所述主控芯片采用单片机或嵌入式芯片。

5.根据权利要求1或2所述的羽毛球运动辅助系统，其特征在于，所述移动终端为智能手机。

6.一种羽毛球运动辅助控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：设置在羽毛球拍柄上的数据采集模块采集运动数据信息并以无线方式发送至移动终端；

步骤2：移动终端中设置数据处理模块，以对接收到的运动数据信息进行处理并识别击球动作后反馈给用户；其中，该数据处理模块至少执行以下步骤：

步骤S1：记第t时刻采集到的三轴加速度信号为a_xt，a_yt，a_zt，三轴角速度为j_xt，j_yt，j_zt；分别计算t时刻的合加速度A_t，加速度方差D_t，合角速度J_t；计算公式如下：

D_t＝(|a_xt|-A_t)²+(|a_yt|-A_t)²+(|a_zt|-A_t)²

步骤S2：设D(t)为t时刻采集计算得到的加速度方差，U为设置的门限阀值，将D(t)与前后m个采样点逐个进行比较，若：

D(t)-D(t±m)≥U；

则t时刻的采样点可判断为挥拍数据点；合并相邻的连续挥拍动作点，并检测出可能包含运动信息的数据段，将数据段内的最大值点所对应的时间点视作挥拍动作捕捉点，记为(A_T，J_T，D_T)；

步骤S3：设已知的若干种标准击球动作的合加速度中心为C_A1，C_A2，…，C_An；合角速度中心为C_J1，C_J1，…，C_Jn；加速度方差中心C_D1，C_D2，…，C_Dn；计算动作捕捉点与各个标准动作的各中心的总距离S₁，S₂，…，S_n；计算公式如下：

步骤S4：找出S₁，S₂，…，S_n中的最短距离S_I，则这次动作捕捉点判别为第I种击球动作。