CN108686348A - 基于传感器的网球拍运动轨迹重构系统及其重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于传感器的网球拍运动轨迹重构系统，包括三个三轴传感器、至少一个振动传感器、MCU单片机和蓝牙模块；三个所述三轴传感器装配在球柄的底部，三个三轴传感器分布在等腰三角形等比缩、放后的三个顶点上，等腰三角形为：以网球拍平衡点向球拍方向延伸一倍长度作为高的等腰三角形，将其按比例缩小或者放大至与球拍底部大小相当；振动传感器，装配在球拍柄底部；蓝牙模块将储存在MCU单片机中的数据通过蓝牙输出到接收终端；输入到蓝牙接收终端的数据通过3D重构球拍的运动轨迹，并将数据输入到大数据库，分析挥拍动作是否正确，是否存在安全隐患。

Description

基于传感器的网球拍运动轨迹重构系统及其重构方法

技术领域：

本发明涉及一种基于传感器的网球拍运动轨迹重构系统，还涉及利用该系统的重构方法，属于社交网络技术领域。

背景技术：

随着全球化的潮流，很多国外的体育运动开始在国内流行，网球在其中也是较为突出的一种运动。网球运动的锻炼价值很高，既是一种消遣，一种增进健康的手段，也是一种艺术追求和享受。打网球可以培养人们动作迅速、判断准确、反应快并能提高速度、力量、耐力、灵敏等素质。由于手握网球拍击球，在拍与球撞击时，需要根据来球的具体情况，随时挥拍应变处理，因此，对调节肌肉用力的紧张度与肌肉感觉有良好影响，对发展协调性有积极作用。但是网球虽然优雅动人却是一项难入门的球类运动，在没有技术指导的情况下很难学会网球的击球方式。面对广大热爱网球的人群，入门的训练更为重要，很多人在打球时球不会落在应该的区域而是会飞的很远，再来回捡球浪费了很多的体力和时间，会使网球的体验变的极差，也许一段时间后，就会有很多人放弃网球，这是网球大多数人无法坚持网球运动的一大重要原因，而在打完球会出现小臂肿胀、酸痛等症状也是放弃网球的原因之一。由此可见一个能够实时纠正用户动作的装置是很有必要的。

申请对了解到的几种现有技术做一个简单分析：

现有技术1，基于图像处理的动作分析，此技术利用一系列高速摄像机，在专用的场地进行布置，主要拍摄击球者的动作，并对拍摄出的视屏进行图像分析处理，呈现出一个动作的全方位图像，请专业教练来分析处理过的动作图像，指出动作的不足，并给予纠正。

现有技术2，覆盖全身的可穿戴传感器，通过佩戴多个传感器，能够在无线、无摄像机的环境下，依靠重力感应，对包括手腕、手肘、肩膀、胸部、腰部、膝盖和脚踝等多个身体部位，进行实时监测、分析并能合成3D影像。另外，使用者的胸部还会布置一个负责将信息传送到云端的中央枢纽，实现运动者动作的云存储、实时查看与历史回顾。

现有技术3，智能手环，一种佩戴在手腕上多功能手环，包含了三维加速度传感器、陀螺仪、磁力计，能够为用户创造九个自由度的动作跟踪。它的表带由柔软的材质构成，特殊的设计让该产品在运动时也能保持透气。能够记录发球的种类和次数、球拍头的速度和轨迹、旋转的数量、手腕的旋转等信息。它还能通过这些数据计算出训练、比赛中动作的一致性，从而矫正用户的动作。

现有技术4，装备在球拍拍柄底部的传感器，其功能的主要体现是通过传感器连接的APP显示的数据，而APP主要在统计和训练这两块，在统计模块内系统会针对用户在使用传感器过程中的各项数据统计分析，并针对当天的运动情况生成一份运动报告，包括用户的有效运动时长、运动消耗和当日最高击球速度等在内较为详细的记录，数据记录了用户一天的使用情况，并最终给出一个用户运动评分，方便用户对自己一天运动的总结。

现有技术的不足之处：图像处理的方法效率不高，需要专业的团队来处理图像，所需的成本是极大的，而且还需要单独的场地，此方法只适用于专业的网球训练，不适合广大的业余爱好者；而覆盖全身的可穿戴传感器，虽然最后得出的结果会很精确的显示出来，但是要在全身的关键部位都装上传感器，对于正常的跑动、挥拍是有很大的影响，所以显示的结果不一定就是被测试者正常击球的姿势，从而影响判断；智能手环具有球拍轨迹测量的功能，但是只能测量球拍拍头的轨迹数据，无法模拟出整个球拍的翻转的动作；装备在球拍拍柄底部的传感器，可以测量球速、运动时间、挥拍次数等，却无法准确测量球拍的运动轨迹。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于传感器的网球拍运动轨迹重构系统，从而克服上述现有技术中的缺陷。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于传感器的网球拍运动轨迹重构系统，包括三个三轴传感器、至少一个振动传感器、MCU单片机和蓝牙模块；

三个所述三轴传感器装配在球柄的底部，三个三轴传感器分布在等腰三角形等比缩、放后的三个顶点上，所述等腰三角形为：以网球拍平衡点向球拍方向延伸一倍长度作为高的等腰三角形，将其按比例缩小或者放大至与球拍底部大小相当；

所述振动传感器，装配在球拍柄底部；

所述的蓝牙模块将储存在MCU单片机中的数据通过蓝牙输出到接收终端；

输入到蓝牙接收终端的数据通过3D重构球拍的运动轨迹，并将数据输入到大数据库，分析挥拍动作的是否正确，是否存在安全隐患。

本发明进一步限定的技术方案为：

优选地，上述技术方案中，所述的三个三轴传感器的传感器芯片的型号为MPU-3050C,传感器的VLOGIC端口接10nF的电容C4，电容另一端接地；REGOUT端口接0.1nF的电容C1，电容的另一端接地；VDD端口接0.1uF的电容C2和电源，电容的另一端接地；CPOUT端口接2.2nF的电容C3，电容的另一端接地。

优选地，上述技术方案中，振动传感器的型号为YT-JM-MINI0085S，此传感器是高灵敏度、微型全方位的振动传感器，在静止时通常产品是接通状态（常闭状态），或属于不工作状态。在受到任何程度的动作时就会呈触发状态、从而有脉冲信号输出开始唤醒电路，只要产生连续性动作产品就会不停的工作。

优选地，上述技术方案中，MCU单片机的型号为EM78447，其中VDD接地；TCC为实时时钟/计数器输入脚，施密特触发；RESET为施密特触发输入脚，当该脚保持低电平时，单片机复位；OSCO 为晶体振荡器输出脚或外部时钟输入脚；OSCI为晶体振荡器或外部时钟输入脚。

优选地，上述技术方案中，蓝牙模块的型号是BF-10，其中RESET端接470k的R1再接V33，另一端接0.1U的C5然后接地；3.3V端口接V33另一端接104的C6然后接地；

优选地，上述技术方案中，场效应管的型号为M13407，场效应管连接有47K的电阻R2，其负极端还电连接47K电阻R3、225P电容C7，电容C7另一端接地，所述场效应管M13407输入端电连接有104P电容C8，电容C8另一端接地。

优选地，上述技术方案中，还包括电池、LED灯、USB接口、转换器、稳压电路；所述USB接口通过转换器电连电池，所述场效应管分别连接电池、LED灯和振动传感器，所述振动传感器通过稳压电路连接MCU单片机，所述MCU单片机通讯连接三轴传感器、通过蓝牙模块通讯连接手机或电脑，所述电脑或者手机通讯连接数据库。

传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。这里所说的“可用输出信号”是指便于加工处理、便于传输利用的信号。现在电信号是最易于处理和便于传输的信号。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，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、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

一种基于传感器的网球拍运动轨迹重构方法，按照如下步骤进行：

S1，挥动球拍，三个三轴传感器所获得的运动数据A输出给MCU单片机；

S2，球拍撞击羽毛球的瞬间，振动传感器将振动信号和时间记录下来，并把数据输入到MCU单片机；

S3，MCU单片机把接收到的数据通过算法计算出击球力量和速度，通过算法匹配出击球类型找到击球动作起始点并计算击球所用的时间，最后生成挥拍轨迹，并把生成的挥拍轨迹数据储存在MCU单片机中。。

步骤四：蓝牙模块将储存在MCU单片机中的数据通过蓝牙输出到接收终端。

步骤五：输入到蓝牙接收终端的数据通过3D重构球拍的运动轨迹，并将数据输入到大数据库，分析挥拍动作的是否正确，是否存在安全隐患。

本发明进一步限定的技术方案为：

优选地，上述技术方案中，步骤S3中，生成轨迹的方法具体为：

设定时间T1到T2都在一个连续轨迹中T1、T2两个时间点无限接近，在T1时刻三个三轴传感器中的任意一个为点A作为三位坐标原点，并建立三维坐标系，已知A点的坐标为（0，0，0），A点各方向的加速度；以下为计算过程：

设A点的速度为V0，则A点在X轴方向上的速度分量为Vx，A点在Y轴方向上的速度分量为Vy，A点在Z轴方向上的速度分量为Vz；

设A点在X轴方向上的加速度分量为αx，A点在Y轴方向上的加速度分量为αy，A点在Z轴方向上的加速度分量为αz；

T1、T2的时间差T3=T2-T1；

A点在T3时间内在X轴上的位移量为Sx=VxT3+0.5αx²，

A点在T3时间内在Y轴上的位移量为Sy=VyT3+0.5αy²，

A点在T3时间内在Z轴上的位移量为Sz=VzT3+0.5αz²，

A点在T3时间内在X轴上的速度为Vx1=Vx+αxT3，

A点在T3时间内在Y轴上的速度为Vy1=Vy+αyT3，

A点在T3时间内在Z轴上的速度为Vz1=Vz+αzT3，

此处的Vx、Vy、Vz由球拍开始运动时，三个方向上的速度都为零逐步通过以上公式计算所得；

由以上公式可以得到在T2时刻时此传感器的位置B为（VxT3+0.5αx²，VyT3+0.5αy²，VzT3+0.5αz²），连接A、B两点，此连线即为A到B的运动轨迹；

同以上公式，计算其余两个传感器的运动轨迹，每个时间点三个传感器的相互连线形成的等腰三角形可以近似于整个球拍，由此将三个三轴传感器运动过程中的所有点计算得出，并将其连接成线，此连线即为整个球拍的运行轨迹。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：体积、重量小，固定在球拍拍柄底部，不影响正常击球，也方便随身携带。传感器为等比例缩小的等腰三角形，能够全方位的描述整个球拍的运动轨迹，并识别出打球过程的平击、上旋、下旋、切削、截击以及高压，帮助使用者了解自身的打法，并从数据库中调取并学习所擅长的打法。成本相比于高速摄像机较低，更适合大众使用。

附图说明：

图1为传感器安装原理图；

图2为三轴传感器电路图；

图3为振动传感器结构原理图；

图4为单片机电路图；

图5为蓝牙模块电路图；

图6为场效应管电路图；

图7为基于传感器的网球拍运动轨迹重构系统的流程图；

图8为挥拍中传感器运动轨迹图；

图9为三维坐标系。

具体实施方式：

下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护 范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或 组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

步骤一：

参照图1传感器安装原理图，以球拍的重力平衡点为等腰三角形高的一半建立等腰三角形，把三个三轴传感器安装在三角形三个角上，再将其按比例缩小至足够小，并安装在球拍底部。

三个三轴传感器的传感器芯片的型号为MPU-3050C,如图2所示，传感器的VLOGIC端口接10nF的电容C4，电容另一端接地；REGOUT端口接0.1nF的电容C1，电容的另一端接地；VDD端口接0.1uF的电容C2和电源，电容的另一端接地；CPOUT端口接2.2nF的电容C3，电容的另一端接地。

步骤二：

将步骤一所获得的数据输入进MCU单片机。

MCU单片机的型号为EM78447,如图4所示，其中VDD接地；TCC为实时时钟/计数器输入脚，施密特触发；RESET为施密特触发输入脚，当该脚保持低电平时，单片机复位；OSCO 为晶体振荡器输出脚或外部时钟输入脚；OSCI为晶体振荡器或外部时钟输入脚。

步骤三：

振动传感器也装配在球拍柄底部，用来接收拍面击球瞬间的震动、记录时间，并把数据输入到MCU单片机。

振动传感器的型号为YT-JM-MINI0085S，如图3所示，此传感器是高灵敏度、微型全方位的振动传感器，在静止时通常产品是接通状态（常闭状态），或属于不工作状态。在受到任何程度的动作时就会呈触发状态、从而有脉冲信号输出开始唤醒电路， 只要产生连续性动作产品就会不停的工作。

步骤四：

MCU单片机把接收到的数据通过算法计算出击球力量和速度，通过算法匹配出击球类型找到击球动作起始点并计算击球所用的时间，最后生成挥拍轨迹，并把生成的挥拍轨迹数据储存在MCU单片机中。

生成轨迹的方法如下：

如图8，是接球的部分三维轨迹截取示意图，图中球拍间的连线是传感器部分的运动轨迹。

现假设时间T1、T2都在图8的轨迹中且T1、T2两个时间点无限接近，在T1时刻三个三轴传感器中的任意一个为点A作为三位坐标原点，并建立三维坐标系，如图9。

已知A点的坐标为（0，0，0），A点各方向的加速度。以下为计算过程。

设A点的速度为V0，则A点在X轴方向上的速度分量为Vx，A点在Y轴方向上的速度分量为Vy，A点在Z轴方向上的速度分量为Vz。

设A点在X轴方向上的加速度分量为αx，A点在Y轴方向上的加速度分量为αy，A点在Z轴方向上的加速度分量为αz。

T1、T2的时间差T3=T2-T1。

A点在T3时间内在X轴上的位移量为Sx=VxT3+0.5αx²，

A点在T3时间内在Y轴上的位移量为Sy=VyT3+0.5αy²，

A点在T3时间内在Z轴上的位移量为Sz=VzT3+0.5αz²，

A点在T3时间内在X轴上的速度为Vx1=Vx+αxT3，

A点在T3时间内在Y轴上的速度为Vy1=Vy+αyT3，

A点在T3时间内在Z轴上的速度为Vz1=Vz+αzT3，

此处的Vx、Vy、Vz由球拍开始运动时，三个方向上的速度都为零逐步通过以上公式计算所得。

由以上公式可以得到在T2时刻时此传感器的位置B为（VxT3+0.5αx²，VyT3+0.5αy²，VzT3+0.5αz²），连接A、B两点，此连线即为A到B的运动轨迹。

同以上公式，计算其余两个传感器的运动轨迹，每个时间点三个传感器的相互连线形成的等腰三角形可以近似于整个球拍，由此将三个三轴传感器运动过程中的所有点计算得出，并将其连接成线，此连线即为整个球拍的运行轨迹。

步骤五：

蓝牙模块将储存在MCU单片机中的数据通过蓝牙输出到接收终端。

所述的蓝牙模块的型号是BF-10，如图5所示，其中RESET端接470k的R1再接V33，另一端接0.1U的C1然后接地；3.3V端口接V33另一端接104的C4然后接地。

步骤六：

输入到蓝牙接收终端的数据通过3D重构球拍的运动轨迹，并将数据输入到大数据库，分析挥拍动作的是否正确，是否存在安全隐患。

其中还有场效应管电路工作，如图6所示，场效应管电路中场效应管连接有47K电阻R15的，其负极端还电连接47K电阻R16、225P电容C17，电容C17另一端接地，所述场效应管M13407输入端电连接有104P电容C2，电容C2另一端接地。。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。 这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述 教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在 于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实 现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。 本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (9)

1.一种基于传感器的网球拍运动轨迹重构系统，包括三个三轴传感器、至少一个振动传感器、MCU单片机和蓝牙模块；

三个所述三轴传感器装配在球柄的底部，三个三轴传感器分布在等腰三角形等比缩、放后的三个顶点上，所述等腰三角形为：以网球拍平衡点向球拍方向延伸一倍长度作为高的等腰三角形，将其按比例缩小或者放大至与球拍底部大小相当；

所述振动传感器，装配在球拍柄底部；

所述的蓝牙模块将储存在MCU单片机中的数据通过蓝牙输出到接收终端；

输入到蓝牙接收终端的数据通过3D重构球拍的运动轨迹，并将数据输入到大数据库，分析挥拍动作是否正确，是否存在安全隐患。

2.根据权利要求1所述的一种基于传感器的网球拍运动轨迹重构系统，其特征在于：所述的三个三轴传感器的传感器芯片的型号为MPU-3050C,传感器的VLOGIC端口接10nF的电容C4，电容另一端接地；REGOUT端口接0.1nF的电容C1，电容的另一端接地；VDD端口接0.1uF的电容C2和电源，电容的另一端接地；CPOUT端口接2.2nF的电容C3，电容的另一端接地。

3.根据权利要求1所述的一种基于传感器的网球拍运动轨迹重构系统，其特征在于：所述振动传感器的型号为YT-JM-MINI0085S，此传感器在静止时产品是接通状态即常闭状态，或属于不工作状态；在受到任何程度的动作时就会呈触发状态、从而有脉冲信号输出开始唤醒电路，只要产生连续性动作产品就会不停的工作。

4.根据权利要求1所述的一种基于传感器的网球拍运动轨迹重构系统，其特征在于：所述的MCU单片机的型号为EM78447，其中VDD接地；TCC为实时时钟/计数器输入脚，施密特触发；RESET为施密特触发输入脚，当该脚保持低电平时，单片机复位；OSCO 为晶体振荡器输出脚或外部时钟输入脚；OSCI为晶体振荡器或外部时钟输入脚。

5.根据权利要求1所述的一种基于传感器的网球拍运动轨迹重构系统，其特征在于：所述的蓝牙模块的型号是BF-10，其中RESET端接470k的R1再接V33，另一端接0.1U的C5然后接地；3.3V端口接V33另一端接104的C6然后接地。

6.根据权利要求1所述的一种基于传感器的网球拍运动轨迹重构系统，其特征在于：所述的场效应管的型号为M13407，场效应管连接有47K的电阻R2，其负极端还电连接47K电阻R3、225P电容C7，电容C7另一端接地，所述场效应管M13407输入端电连接有104P电容C8，电容C8另一端接地。

7.根据权利要求1所述的一种基于传感器的网球拍运动轨迹重构系统，其特征在于：还包括电池、LED灯、USB接口、转换器、稳压电路；所述USB接口通过转换器电连电池，所述场效应管分别连接电池、LED灯和振动传感器，所述振动传感器通过稳压电路连接MCU单片机，所述MCU单片机通讯连接三轴传感器、通过蓝牙模块通讯连接手机或电脑，所述电脑或者手机通讯连接数据库。

8.一种基于传感器的网球拍运动轨迹重构方法，其特征在于：按照如下步骤进行：

S1，挥动球拍，三个三轴传感器所获得的运动数据A输出给MCU单片机；

S2，球拍撞击网球的瞬间，振动传感器将振动信号和时间记录下来，并把数据输入到MCU单片机；

S3，MCU单片机把接收到的数据通过算法计算出击球力量和速度，通过算法匹配出击球类型找到击球动作起始点并计算击球所用的时间，最后生成挥拍轨迹，并把生成的挥拍轨迹数据储存在MCU单片机中；

S4，蓝牙模块将储存在MCU单片机中的数据通过蓝牙输出到接收终端；

S5，输入到蓝牙接收终端的数据通过3D重构球拍的运动轨迹，并将数据输入到大数据库，分析挥拍动作的是否正确，是否存在安全隐患。

9.根据权利要求8所述的基于传感器的网球拍运动轨迹重构方法，其特征在于：

步骤S3中，生成轨迹的方法具体为：

设定时间T1到T2都在一个连续轨迹中且T1、T2两个时间点无限接近，在T1时刻三个三轴传感器中的任意一个为点A作为三位坐标原点，并建立三维坐标系，已知A点的坐标为（0，0，0），A点各方向的加速度；以下为计算过程：

设A点的速度为V0，则A点在X轴方向上的速度分量为Vx，A点在Y轴方向上的速度分量为Vy，A点在Z轴方向上的速度分量为Vz；

设A点在X轴方向上的加速度分量为αx，A点在Y轴方向上的加速度分量为αy，A点在Z轴方向上的加速度分量为αz；

T1、T2的时间差T3=T2-T1；

A点在T3时间内在X轴上的位移量为Sx=VxT3+0.5αx²，

A点在T3时间内在Y轴上的位移量为Sy=VyT3+0.5αy²，

A点在T3时间内在Z轴上的位移量为Sz=VzT3+0.5αz²，

A点在T3时间内在X轴上的速度为Vx1=Vx+αxT3，

A点在T3时间内在Y轴上的速度为Vy1=Vy+αyT3，

A点在T3时间内在Z轴上的速度为Vz1=Vz+αzT3，

此处的Vx、Vy、Vz由球拍开始运动时，三个方向上的速度都为零逐步通过以上公式计算所得；

由以上公式可以得到在T2时刻时此传感器的位置B为（VxT3+0.5αx²，VyT3+0.5αy²，VzT3+0.5αz²），连接A、B两点，此连线即为A到B的运动轨迹；

同以上公式，计算其余两个传感器的运动轨迹，每个时间点三个传感器的相互连线形成的等腰三角形可以近似于整个球拍，由此将三个三轴传感器运动过程中的所有点计算得出，并将其连接成线，此连线即为整个球拍的运行轨迹。