CN112147367A - 用于确定旋转器材的自旋轴的方向的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于确定旋转器材的自旋轴的方向的方法，该旋转器材包括XYZ磁场传感器。该方法包括：确定磁场的整体方向；使旋转器材提供围绕自旋轴旋转；当旋转器材围绕自旋轴旋转时，利用XYZ磁场传感器测量随时间变化的至少一个磁场值；根据所测量的至少一个磁场值，计算磁场在旋转器材的自旋轴的局部主体坐标方向上的磁场分量；以及使用计算出的磁场的磁场分量和所确定的磁场的整体方向来确定自旋轴的方向。

Description

用于确定旋转器材的自旋轴的方向的方法
技术领域
所公开的实施例的各方面总体上涉及用于确定旋转器材的自旋轴的方向的系统和方法。
背景技术
重要的是要跟踪一个或多个抛射体(在本文中也称为旋转器材)、诸如例如在进行体育比赛时使用的一个或多个球(例如橄榄球或篮球)的运动，以确定与体育比赛有关的统计信息。这样的统计信息可以包括射门或得分、投篮、传球的数量以及体育比赛中一个或多个运动员的表现。通常使用摄像机、人员手动核对统计数据以及使用一个或多个抛射体中包含的传感器来实现这种跟踪。然而，用于分析一个或多个抛射体的运动的已知方法没有得到很好的开发，使得当前无法实现对利用一个或多个抛射体的体育比赛进行充分分析。
跟踪抛射体运动的问题之一是难以确定抛射体沿着其轨迹前进的方向。抛射体的方向对于分析例如如何投篮至关重要。方向测量在理论上可以例如使用定位信标设置(即三角测量或三边测量)来完成。这种设置的问题在于它需要信标，因此昂贵且复杂。除了方向以外，在许多应用中，抛射体的位置也很重要。例如，当分析抛射体的比赛位置信息时，需要知道射球或踢球之前和之后。已经使用基于信标的定位系统来测量抛射体的位置。这样的系统昂贵且复杂。
此外，可以使用电子罗盘进行方向测量。然而，电子罗盘不能用于确定轨迹的方向，因为它仅指示相对于罗盘的磁场方向。没有关于具有电子罗盘的抛射体移动方向的信息。例如，电子罗盘可能指示抛射体的左侧朝北，但抛射体本身向东移动。由于抛射体相对于轨迹的任意定向，电子罗盘无法跟踪我们感兴趣的轨迹的性质。
与测量已经投掷/抛射到弹道轨迹的抛射体性质有关的另一个问题是确定抛射体自旋得有多快(即自旋速率)以及自旋轴与地面之间的倾斜角度是多少。自旋速率是分析如何操纵抛射体的重要参数。例如，在用篮球投篮时，理想的自旋速率约为每秒三转。在另一个示例中，当尝试以曲线方式踢足球时，要求非零的自旋速率以形成抛射曲线。
自旋轴的测量非常重要，例如在篮球比赛的情况下。如果自旋轴不平行于运动场，则当篮球撞击篮筐时，篮球可能会以不利的方式弹跳。同样，水平自旋轴可确保马格努斯(Magnus)效应增加球的进入角度，从而使球篮显得更大。
此外，跟踪抛射体的运动、位置或自旋速率的现有系统会消耗更多的功率，这是因为它们具有多个传感器并且那些多个传感器一直处于开启状态。如上所述，某些系统还需要外部信标。
因此，考虑到前述讨论，需要解决前述的在确定抛射体前进的方向方面的缺点。特别地，由所公开的实施例的各方面解决的问题与确定球形物体、抛射体或球的自旋轴的方向有关。此外，本公开提供了用于确定抛射体的位置的改进方法。
本公开的实施例基本上消除或至少部分解决了前述的在确定旋转器材的自旋轴的方向方面的缺点。
发明内容
根据第一方面，所公开的实施例的各方面针对一种用于确定旋转器材的自旋轴的方向的方法，该旋转器材包括XYZ磁场传感器，该方法包括：
-确定磁场的整体方向；
-为旋转器材提供围绕自旋轴的旋转，其中，自旋轴沿着如下线被限定，该线包括三维空间中的在旋转器材旋转期间保持固定的点；
-当旋转器材围绕自旋轴旋转时，利用XYZ磁场传感器测量随时间变化的多个磁场值；
-根据所测量的多个磁场值，计算磁场在旋转器材的自旋轴的局部主体坐标的方向上的磁场分量；以及
-使用计算出的磁场的磁场分量和所确定的磁场的整体方向来确定自旋轴的方向。
根据第二方面，本公开提供了一种旋转器材，该旋转器材包括：
-主体；
-XYZ磁场传感器，该XYZ磁场传感器布置在主体内部，并且被配置为当旋转器材围绕自旋轴旋转时测量随时间变化的至少一个磁场值；以及
-控制模块，该控制模块布置在主体内部并且通信地连接到XYZ磁场传感器，其中，控制模块被配置为：
-接收所测量的至少一个磁场值；
-根据接收到的至少一个所测量的磁场值计算出至少一个所测量的磁场值在旋转器材的自旋轴的局部主体坐标的方向上的磁场分量；以及
-使用计算出的至少一个所测量的磁场值的磁场分量和所确定的至少一个所测得的磁场值的整体方向来确定自旋轴的方向。
根据第三方面，本公开提供了一种用于确定旋转器材的位置的系统，其中，旋转器材被配置为：
-确定旋转器材的自旋轴的方向；
-估算旋转器材从射出旋转器材的位置到指定目标的水平位移；以及
-向便携式计算设备提供所确定的自旋轴的方向和所估算的水平位移，
其中，便携式计算设备被配置为使用所提供的方向和位移值来确定旋转器材相对于指定目标的位置。该器材的位置可以用于向用户呈现例如对用旋转器材进行的比赛或练习的分析。
根据第四方面，所公开的实施例针对一种用于确定旋转器材的自旋轴的方向的方法，该旋转器材包括XYZ磁场传感器和陀螺仪，该方法包括：
-确定磁场的整体方向；
-为旋转器材提供围绕自旋轴的旋转，其中，自旋轴沿着如下线被限定，该线包括三维空间中的在旋转器材的旋转期间保持固定的点；
-当旋转器材围绕自旋轴旋转时，利用XYZ磁场传感器测量至少一个磁场值；
-用陀螺仪测量至少一个角速度值和取向值；以及
-使用所测量的至少一个磁场值、至少一个角速度值、取向值和所确定的磁场的整体方向来确定自旋轴的方向。
所公开的实施例的各方面的其他方面、优点、特征和目的从附图和以下结合所附权利要求书解释的对说明性实施例的详细描述中变得明显。
将理解的是，所公开的实施例的各方面的特征在不脱离由所附权利要求所限定的所公开的实施例的范围的前提下，易于以各种组合来结合。
附图说明
当结合附图阅读时，将更好地理解以上发明内容以及以下对说明性实施例的详细描述。为了说明本公开，在附图中示出了本公开的示例性构造。然而，本公开不限于本文公开的特定方法和手段。此外，本领域技术人员将理解，附图未按比例绘制。只要有可能，相同的元件都用相同的数字表示。
现在将参照以下附图仅以示例的方式描述本公开的实施例，其中：
图1是根据本公开的实施例的旋转器材的示意图；
图2是根据本公开的实施例的系统的示意图；
图3是根据本公开的实施例的旋转器材的示意图；
图4是根据本公开的实施例的比赛场的示意图；
图5是由根据本公开的实施例的附接有旋转器材的加速度计测量的抛射的加速度的图示；
图6是根据本公开的实施例的磁场分量的值的图示；以及
图7是示出了根据本公开的实施例的用于确定旋转器材的自旋轴的方向的方法的示例性处理流程的流程图。
在附图中，带下划线的数字用来表示带下划线的数字所在的项或与该带下划线的数字相邻的项。未加下划线的数字与通过将未加下划线的数字连接到该项的线所标识的项有关。当数字未加下划线并带有关联的箭头时，该未加下划线的数字用于标识箭头所指向的一般项。
具体实施方式
以下的详细描述示出了本公开的实施例以及可以实现这些实施例的方式。尽管已经公开了执行本公开的一些模式，但是本领域技术人员将认识到，用于执行或实践本公开的其他实施例也是可能的。
本公开提供了一种用于确定旋转器材的自旋轴的方向的方法，该旋转器材包括XYZ磁场传感器，该方法包括：
-确定磁场的整体方向；
-为旋转器材提供围绕自旋轴的旋转，其中，自旋轴包括如下线，该线包括三维空间中的在旋转器材的旋转期间保持固定的点；
-当旋转器材围绕自旋轴旋转时，利用XYZ磁场传感器来测量随时间变化的多个磁场值；
-根据所测量的多个磁场值，计算磁场在旋转器材的自旋轴的局部主体坐标的方向上的磁场分量；以及
-使用计算出的磁场的磁场分量和所确定的磁场的整体方向来确定自旋轴的方向。
因此，本方法确定旋转器材的自旋轴的方向。旋转器材可以是例如物体或抛射体，诸如篮球、橄榄球、排球、棒球、保龄球、长曲棍球、手球、足球、网球、冰球、标枪等。通常，旋转器材术语是指在使用中具有旋转运动或具有旋转运动趋势的物体。
根据本公开，为旋转器材提供围绕自旋轴的旋转。作为示例，当投掷篮球时，篮球通常由于运动员的手引起的自旋而旋转(即，篮球是旋转器材)。在一种方法中，为旋转器材提供围绕自旋轴的旋转。自旋轴沿着包括三维空间中的在旋转器材的旋转期间保持固定的点的线被限定。因此，本质上，术语“自旋轴”是指旋转器材围绕其旋转的几何线。与旋转器材相比，自旋轴在局部参考系中保持固定。
旋转器材的另一个例子是标枪。在投掷标枪时，标枪倾向于沿其最长的轴旋转。旋转器材的另一个示例是冰球。当冰球被射出或传出时，冰球将有离开冰并在空中“飞翔”的趋势。移动的冰球也旋转也是很常见的。此外，冰球在冰上滑动时也可以发生旋转。
旋转器材的另一个示例是橄榄球。当使橄榄球旋转时，它可能会在橄榄球场上滚动(在滚动期间橄榄球会旋转)。
确定磁场的整体方向。整体方向是指例如朝向磁北极的方向。可以使用例如诸如智能电话的电子罗盘之类的外部器材来确定该方向，或者可以针对使用旋转器材的每个位置来确定该方向。作为示例，可以用地图来定义磁场相对于篮球场的整体方向。
在一个实施例中，旋转器材包括一个或多个磁场传感器。在一个实施例中，一个或多个磁场传感器被附接或布置在旋转器材的内部(即，内表面)。一个或多个磁场传感器被配置为测量X、Y和Z方向上的磁场值。在一个实施例中，一个或多个磁场传感器可以选自三轴磁力计，但不限于此。在一个实施例中，磁场传感器包括相对于彼此正交布置的三个单独的传感器元件，以形成XYZ磁场传感器。在一个实施例中，每个磁场传感器被配置为测量随时间变化的磁场值，例如，每个磁场传感器可选地每0.1秒提供与磁场强度有关的值。磁场传感器可选地每1秒或10秒提供与磁场强度有关的值。在一个实施例中，每个磁场传感器被单独地校准以去除最显著的误差源。
当旋转器材围绕自旋轴旋转时，旋转器材的XYZ磁场传感器测量随时间变化的多个磁场值。所测量的多个磁场值用于计算磁场在旋转器材的自旋轴的局部主体坐标的方向上的磁场分量。
使用计算出的磁场的磁场分量和所确定的磁场的整体方向来确定自旋轴的方向。
根据一个实施例，利用控制模块来执行计算和确定。此外，可以利用控制单元来进行测量和/或从XYZ磁场传感器收集测量结果。控制模块可以是布置在旋转器材内部的计算单元。替代性地，控制模块可以在旋转器材外部(并且无线地进行通信)而没有限制，并且控制模块可以选自移动电话、智能电话、移动互联网设备(MID)、平板计算机、超移动个人计算机(UMPC)、平板电脑、个人数字助理(PDA)、上网器、手持式个人计算机(PC)和笔记本电脑。控制模块可选地通过网络与服务器进行通信。在一个实施例中，网络是有线网络、无线网络或有线网络和无线网络的组合。在一个实施例中，网络是互联网。在另外的示例中，控制模块的功能的一部分可以被布置在旋转器材的内部(作为微控制器的形式)，并且一部分可以被布置在旋转器材的外部(作为经由诸如蓝牙的无线连接而连接到微控制器的智能电话的形式)。
控制模块使用计算出的磁场的磁场分量和所确定的磁场的整体方向来确定自旋轴的方向。所确定的自旋轴的方向可用于分析旋转器材沿其轨迹向哪个方向移动(即前进方向)。作为示例，自旋轴的方向可以用于确定球(在抛射期间)朝东行进，或例如相对于篮球场或其他运动场成45度角行进。
在一个示例实施例中，在篮球比赛中，球是旋转器材，并且该量可以是球的自旋轴与水平面之间的角度，其中非零角度指示运动员在投篮技术存在问题。在另一个示例实施例中，在以橄榄球为旋转器材的橄榄球比赛中，利用橄榄球的自旋轴来确定橄榄球的轨迹的方向的变化和周围环境中橄榄球的自旋轴的方向的变化，这是计算橄榄球实现轨迹的整体形状的关键参数。
在一个实施例中，整体磁场是包围旋转器材的均质的地球磁场。如果旋转器材位于(i)室内环境或(ii)室外环境中的至少一个中，则磁场将基本上恒定。
根据一个实施例，通过以下数学公式来确定磁场在旋转器材的自旋轴的局部主体坐标的方向上的磁场分量：
Figure BDA0002558202530000071
在一个实施例中，磁场的大小是任意的，并且任何单个篮筐的磁场由诸如magAz(其是周围磁场相对于所选的整体参照系的x轴的水平方向)和magEle(其是磁场的竖直方向或磁场相对于局部水平面的倾斜角)的参数来表征。对于任何单个篮筐，以如下形式表示归一化磁场，即具有单位大小的磁场：
Figure BDA0002558202530000081
作为示例，在使用右手坐标系的篮球比赛中，x沿着球场的边线指向篮筐；y指向右侧并与边线正交，并且z竖直向下指向。在一个实施例中，以这种方式指定的整体参考系被称为球场参考系。
在一个实施例中，目标结构、诸如篮筐通常是金属的。有时候，地平面可能会对磁场产生局部干扰，但是均匀性假设通常在篮球被抛掷或以其他方式在空中飞行时才有效。
局部参考系中表示的自旋轴在包括旋转器材的畅通无阻的运动(诸如旋转器材在空中的飞行或冰球在冰上的滑动)在内的任何时间段期间都是恒定的。在一个实施例中，局部参考系中的恒定的自旋轴确实意味着整体参考系中的恒定的自旋轴。即使自旋轴是恒定的，但围绕该自旋轴的角速度不一定是恒定的。
在示例实施例中，通过以下方式来确定自旋轴的方向：找到使所测量的多个磁场值的方差最小的方向；通过将测量的多个磁场值中的两个连续测量的磁场值进行相互比较，来解析与所找到使所测量的多个磁场值的方差最小的方向相关的符号二义性；以及通过使用所找到的带有所解析的符号的方向作为自旋轴的方向。
因此，该所找到的使所测量的多个磁场值的方差最小的方向(最小方差解)可能具有两个可能的解(负和正，即，与解相关的符号二义性)。通过将所测量的多个磁场值中的两个连续测量的磁场值相互比较来进一步分析该解，以解析与所找到的最小方差解相关的符号二义性。
在一个实施例中，所找到的轴用于进行将基础变换成其中轴之一与自旋轴对准的基础。将所找到的使所测量的多个磁场值的方差最小化的方向和所解析的符号用作自旋轴的方向。
以M表示实值Nx3矩阵，该矩阵包括在感兴趣的时间段内测量的多个磁场值。自旋轴通过对所测量的多个磁场值采用新的正交和右手基础来确定，使得在至少一个基向量的方向上所测量的多个磁场值的方差最小。在一个实施例中，将具有仅包括噪声和磁场的一些变化的最小方差的基本向量确定为自旋轴。将在局部参考系中表示的自旋轴确定为优化问题的解决方案：
Figure BDA0002558202530000091
使得wTw＝1，
该解决方案用于确定三个正交轴的线性组合，该线性组合使在单位向量(w)方向上测量的多个磁场值的方差最小。在一个实施例中，由于方差总是为正，所以出现符号二义性。上面提出的优化问题等效地表示为：
Figure BDA0002558202530000092
其中，单位约束是所选参数化的特征。在一个实施例中，以上的最小化问题被表示为方差最大化问题，其目的是确定与自旋轴正交的轴。
通过从任意初始猜测开始的任何优化例程来解决优化问题直至符号二义性，从而产生两个最优值之一。此外，通过使用以下等式解决奇异值分解：
UΣVT＝svd(M)
并选择具有最小方差(Mvi)的右奇异向量vi(V的列)，来获得针对优化算法的特定初始猜测。这等效于将V解析为法线矩阵MTM的特征向量。在一个实施例中，所选vi可以自己产生对自旋轴的估算，但是通常获得对自旋轴的最精确估算作为所提出的方差最小化问题的解决方案。
在一个实施例中，由于符号二义性，确定旋转器材的自旋轴会产生自旋轴的两个可能的解，其对应于替代性的抛射方向。通过分析收集的数据(即多个磁场)来解决符号二义性。在一个实施例中，以已知的时间间隔和/或以恒定的采样率来测量观察到的磁场，并以时间顺序存储观察到的磁场。
在一个实施例中，计算出的磁场的磁场分量不是常数。例如，章动和进动可能会导致计算出的磁场分量随时间变化，并且该变化信息用于获得有关旋转器材的轨迹的更多信息。
在一个实施例中，控制模块构建代表旋转器材的旋转的动态模型。该动态模型使用以下Rodrigues的旋转公式来确定与动态模型和时间相关数据一致的自旋速率：
Figure BDA0002558202530000101
其中，θ表示自旋轴上的净旋转角，而[sa]×是sa的斜对称形式。进一步假设自旋速率恒定，θ＝ωt。
Rodrigues的旋转公式扩展为：
Figure BDA0002558202530000102
其用于将任何样品三元组的对mi、mj耦合如下：
mj＝C(ω(tj-ti))mi
由此，在进行代数运算后，将为每对样品三元组获得三个通用形式的等式，其值如下：
acos(ωt)+bsin(ωt)+c＝0
Figure BDA0002558202530000103
Figure BDA0002558202530000104
Figure BDA0002558202530000105
忽略了π的倍数，这种等式可能包含多达两个唯一的结果：
Figure BDA0002558202530000106
然而，该等式的仅一个结果提供了不同轴上的一致的ω值和样品三元组mi、mj。在一个实施例中，一对观察到的磁场可能产生负判别式(a2+b2-c2)，并因此产生虚构结果。
在一个实施例中，如果一致的自旋速率估算的平均值为正，则以上获得的自旋轴的方向是正确的。在另一个实施例中，如果一致的自旋速率的平均值为负，则所获得的自旋轴的方向可以是反向的。
当旋转器材围绕均质磁场中的恒定轴旋转时，控制模块可选地通过其平均值来估算周围均质磁场在自旋轴sa的方向上的分量。使用以下等式来计算平均值：
Figure BDA0002558202530000111
在一个实施例中，旋转器材的旋转被建模为在旋转器材的单个自旋轴上发生并且是恒定的但是任意的的旋转。在一个实施例中，bsa独立于磁场方向。
在一个实施例中，控制模块通过用最小的三参数模型对所测量的多个磁场值进行建模来估算bsa，该最小的三参数模型确保范数在整个感兴趣的时间段内是恒定的。最初，产生用于所测量的多个磁场值的基础，其中轴之一是自旋轴sa。对于从优化问题的解决方案给定的参数αsa和βsa，所测量的多个磁场值的基础由以下矩阵定义：
Figure BDA0002558202530000112
其中，自旋轴在矩阵的第二行中，生成第三行的基向量，使得该第三行的基向量与自旋轴正交；以及生成第一行的基向量，使得该第一行的基向量是第二行和第三行的交叉乘积。当转换为这样的基础时，可以使用以下形式的三自由度模型对所测量的多个磁场值进行建模：
Figure BDA0002558202530000113
其中，ω是上面估算的自旋速率，θ0表示相移，其中相移由下式估算：
Figure BDA0002558202530000114
信号模型用于通过使下式或类似的成本函数最小化来将参数bsa、ω和θ0的未耦合估算结合在一起：
Figure BDA0002558202530000121
从而使最小的三参数模型f(bsa，ω，θ0)尽可能接近观察到的数据(例如磁场值)m(t)。一旦选择了成本函数后，其值就从初始猜测中最小化。此外，如果自旋轴是水平的，则替代性的方法是约束最小化问题的解决方案，该解决方案通过下式而使最小化问题得到解：|bsa|≤cos(magEle)。
在一个实施例中，bsa的估算可以取决于磁场参数，并且磁极可以包括检索所有邻近解的附加趋势。
在一个实施例中，控制模块通过将水平观察到的磁场表示为下式来获得朝向篮筐行进的抛射方向：
Figure BDA0002558202530000122
每当1-(bsa-sin(α)sin(magEle))2-sin2(magEle)>0时，其中α是自旋轴与水平地平面之间的角度。控制模块检测到自旋轴的水平分量通常正交于抛射方向
Figure BDA0002558202530000123
在篮球比赛的示例中，这产生了两个候选的解
Figure BDA0002558202530000124
在另一个实施例中，控制模块检测到抛射方向与自旋轴的水平分量之间的角度β可能不等于
Figure BDA0002558202530000125
并且水平地平面与自旋轴之间的角度α可能不等于0。在本文中，控制模块形成用于磁场在自旋轴bsa的方向上的分量的如下解析公式：
Figure BDA0002558202530000126
可以在以下步骤中简化上述公式，以获得用于确定抛射方向sd的解的等式。可以使用矩阵乘法来简化以上等式以获得：
bsa＝cosαcos(magEle)cos(magAz-sd-β)+sin(magAz)sin(magEle)
此外，使用三角恒等式，可以将bsa简化为：
bsa＝cosαcos(magEle)cos(magAz-sd-β)+sin(magAz)sin(magEle)
sd的值可以通过将上述等式进一步简化为以下公式来获得：
Figure BDA0002558202530000131
根据一个实施例，控制模块通过将在升高的水平观察到的磁场表示为以下公式来获得朝向篮筐行进的抛射方向：
Figure BDA0002558202530000132
其中，
1-([bsa-sin(α)sin(magEle)]/cos(α))2-sin2(magEle)>0
因此，例如，在橄榄球、板球、标枪投掷等比赛中，其中水平地平面与自旋轴之间的角度α不等于0，这使得产生了如下的两个候选解：
Figure BDA0002558202530000133
在一个实施例中，控制模块通过采用以下形式的模型来解析自旋轴
Figure BDA0002558202530000134
其中，R是旋转矩阵，C(·,·)表示上面的Rodrigues旋转公式，ω是自旋速率，并且θ是抛射方向。
在一个实施例中，控制模块使用第一分支选择方法来选择分支。在一个实施例中，当释放旋转器材时，控制模块使用辅助方法来解析旋转器材的定向。在一个实施例中，取向将在释放旋转器材期间测得的加速度转换成与例如篮球场有关的坐标系。
在一个实施例中，控制模块使用通过网络与旋转器材通信的用户设备来选择分支。在一个实施例中，用户设备可以选自移动电话、个人数字助理(PDA)、平板电脑、台式计算机或笔记本电脑，但不限于此。
在一个实施例中，控制模块处理接收信号强度指示符(Received SignalStrength Indicator,RSSI)信息以估算运动员与用户设备之间的距离。在一个实施例中，如果用户设备的位置已知并且抛射距离已估算出，则控制模块选择分支。
控制模块通过收集许多指示符来自动选择分支，并采用机器学习技术。在一个示例实施例中，指示正确分支的索引的基于神经网络(NN)的分类网络或基于NN的功能拟合网络直接估算抛射方向。控制模块可自动对不同的所估算的抛射方向进行加权以生成组合解，并有可能拒绝不一致的抛射方向估算，并自动将该解限制在正确的区间内，以实现最大的鲁棒性。
根据一个实施例，确定自旋轴的方向还包括确定(抛射体或球的)自旋轴与水平地平面之间的角度。所确定的角度可用于精确所确定的自旋轴方向。
此外，确定自旋轴的方向还可包括：确定自旋轴相对于水平地平面的角度；以及确定抛射方向相对于自旋轴的水平分量的角度。
此外，根据一个实施例，控制模块被配置为当已知磁场的仰角时，确定倾斜角的总体水平。可以以下式倾斜角：
Figure BDA0002558202530000141
根据一个实施例，该方法还包括：
-使用旋转器材的飞行时间、释放速度、初始高度和旋转器材相对于地面的高度中的至少一项来估算旋转器材的水平位移；以及
-通过将旋转器材的自旋轴的方向与水平位移相结合来确定旋转器材相对于指定目标的位置。
因此，可以估算出旋转器材的水平位移。可以使用旋转器材的飞行时间、释放速度、初始高度和旋转器材相对于地面的高度中的至少一项来估算水平位移。作为示例，如果球的飞行时间为2秒，并且速度(如果不考虑摩擦，则释放速度可以认为是速度)为每秒3.5米，则水平位移为7米。此外，可以通过将旋转器材的自旋轴的方向与水平位移相结合来确定旋转器材相对于指定目标的位置。指定目标的一个示例是篮球场的篮筐(在东西方向上具有长边)。举个例子，如果自旋轴的方向被确定为北，我们可以确定抛射是在长边方向上距离篮筐7米处(即3点线之外)、即当进行抛射时篮球所在的位置处进行的。即，假设球场的长边在东西方向上，则指向北的自旋轴指示抛射是在长边的方向上进行的。这是由于在给定示例中，自旋轴与抛射方向之间存在约90度的差距。当分析比赛时，该位置信息很有用。此外，可以使用该方法/器材来导出该位置，而无需通过该方法使用外部信标或摄像机等系统。在另一个示例中，在橄榄球比赛中，自旋轴的方向被确定为朝东。橄榄球场是东西向的。球击中球门的特定目标(例如，用可选的加速度计检测)。如果水平位移为30米，则可以确定进行射门的位置。因此，本方法自动确定旋转器材相对于指定目标的相对位置。
实际上，在橄榄球比赛中，直射的自旋轴(通常被称为美式橄榄球比赛中的传球或踢球)很少是水平的，而是更接近竖直方向，或者水平和竖直位移的组合。在这种情况下，自旋轴与水平地平面之间的角度可用于增强位置的确定。对于地面上的传球/抛射滚动和/或反弹，自旋轴更接近水平的自旋轴。
根据又一实施例，通过以下方式来确定磁场的整体方向：将旋转器材沿已知水平方向的轨迹射出至少一次；使用与至少一个局部环境有关的地理信息；或使用第二传感器。作为示例，我们知道旋转器材向北射出(以球为例是抛出)。将向北的已知方向提供给控制模块。替代性地，可以将已知方向提供给从旋转器材的控制模块接收信息的智能电话。此外，可以使用与至少一个局部环境有关的地理信息。
作为示例，如果我们知道篮球场长边的方向，则可以将其用作确定整体方向的信息。此外，可以通过使用第二传感器(诸如智能电话的传感器)来确定整体方向。
根据又一个实施例，该方法包括使用旋转器材的加速度计来检测旋转器材是否被射出(抛出)到弹道轨迹上。如果检测到旋转器材处于弹道轨迹上，则激活XYZ磁场传感器。因此，本方法可选地采用加速度计，该加速度计附接到或以其他方式固定到旋转器材内部。
当使用旋转器材时，加速度计可以用于检测旋转器材的加速度。作为示例，加速度计可以检测旋转器材何时处于轨迹上。例如，当旋转器材为球时，当球被抛掷时，球在来自抛掷运动的力的作用下将遵循一路径。例如，这种抛掷动作还可以包括传球或抛射。
根据一个实施例，如果检测到旋转器材处于弹道轨迹中，则加速度计激活XYZ磁场传感器，从而降低旋转器材的功耗。当旋转器材处于弹道轨迹时，从加速器的角度来看，它处于“自由落体”状态，即，加速度计读数实际上为零(或该读数可用于推断旋转器材是否处于“自由落体状态”)。请注意，加速度计读数还可包括读取由旋转引起或由旋转产生的值。这降低了功耗，因为当将旋转的抛射体抛到轨迹、诸如弹道轨迹中时，主要需要自旋轴的方向。这样，自旋轴方向可用于测量抛射体(诸如篮球)被抛掷到的位置。替代性地，加速度计可以检测诸如冰球的抛射体的运动，并在检测到冰球的运动时激活XYZ磁场传感器。
可选的加速度计和XYZ磁场传感器将所测量的数据(诸如加速度数据)和旋转器材的多个磁场值传送到控制模块。
根据又一实施例，在旋转器材处在弹道轨迹上的时间间隔期间确定自旋轴的方向。这样，仅当确定球处于轨迹中才能确定自旋轴方向时，能够降低旋转器材的电子部件的功耗。磁场传感器可以在其他时间(诸如在存储、不使用期间或当手持旋转器材时)保持关闭状态。
在替代性实施例中，确定包括XYZ磁场传感器和陀螺仪的旋转器材的自旋轴的方向。首先确定磁场的整体方向。然后，为旋转器材提供围绕自旋轴的旋转，其中自旋轴沿着如下线被限定，该线包括三维空间中的在旋转器材的旋转期间保持固定的点。当旋转器材绕自旋轴旋转时，利用XYZ磁场传感器测量至少一个磁场值。陀螺仪用于测量至少一个角速度值和取向值。使用所测量的至少一个磁场值、至少一个角速度值、取向值和所确定的磁场的整体方向来确定自旋轴的方向。
陀螺仪值可用于确定自旋轴。在该实施例中，陀螺仪和磁场传感器之间的角度是已知的。因此，磁场测量提供了可以确定的自旋轴的方向相对于局部磁场的信息。将该信息与整体方向进行比较，以确定自旋轴的方向。
自旋轴的方向可以如先前所讨论的那样用于确定例如旋转器材的位置。此外，如果旋转器材包括加速度计，则加速度计读数可用于在旋转器材处于弹道轨迹的时间期间开启陀螺仪以节省功率。
在示例实施例中，在旋转器材为橄榄球的情况下，当橄榄球在地面上滚动时，可选地使用橄榄球的XYZ磁场传感器来测量多个磁场值。橄榄球配置有XYZ磁传感器，并且可选地，XYZ磁场传感器配置为仅在橄榄球处于弹道轨迹(即射门、传球或踢球)或在地面上滚动时开启。通过限制使用XYZ磁传感器的时间，可以降低橄榄球中的电子部件的功耗。
所公开的实施例的各方面提供了一种器材，该器材包括：
-主体；
-XYZ磁场传感器，该XYZ磁场传感器布置在主体内部，并且配置为当主体围绕自旋轴旋转时，测量随时间变化的至少一个磁场值；以及
-控制模块，该控制模块布置在主体的内部并且通信地连接至XYZ磁场传感器，其中，所述控制模块被配置为：
-接收所测量的至少一个磁场值；
-根据接收到的至少一个所测量的磁场值计算出至少一个所测量的磁场值在主体的自旋轴的局部主体坐标的方向上的磁场分量；以及
-使用计算出的磁场的磁场分量和所确定的磁场的整体方向来确定主体的自旋轴的方向。
所确定的主体的自旋轴的方向可以用于分析例如旋转器材的轨迹。例如，许多体育活动都需要这样做，以提供有意义的统计数据或提供有关运动表现的反馈。本质上，自旋轴的方向可以用作在给定时刻旋转器材所行进的方向的指示。磁场传感器(和其他部件)布置在器材主体的内部。作为示例，传感器可以与其他部件(诸如控制器和相关的电池+通信装置以及可选的加速度计)一起以紧凑的封装形式布置。紧凑封装被附接到主体的内表面。在为篮球的情况下，主体的内表面与球的内表面相同。
在一个实施例中，XYZ磁场传感器是检测和测量特定位置处的磁通量和/或磁场的强度和方向的设备。XYZ磁场传感器可选地是三轴磁力计。在一个实施例中，XYZ磁场传感器可选地附接到旋转器材的内表面。在另一个实施例中，XYZ磁场传感器可选地附接到旋转器材的外表面。旋转器材可选地是附接有XYZ磁场传感器和控制模块的篮球。旋转器材可选地是包括XYZ磁场传感器和控制模块的橄榄球、足球、棒球、冰球或其他运动物体。
在一个实施例中，旋转器材通过有线或无线网络与服务器或用户设备通信地连接。服务器可选地从旋转器材接收所测量的多个磁场值。服务器可以包括处理器，该处理器确定旋转器材的自旋轴的方向。在一个实施例中，服务器的处理器可选地执行控制模块的一个或多个步骤。服务器可选地包括个人计算机、平板电脑、笔记本电脑或电子笔记本。旋转器材的部件经由通信网络进行通信，该通信网络可选地是有线网络或无线网络。用户设备可选地包括个人计算机、智能电话、平板电脑、笔记本电脑或电子笔记本。
在一个实施例中，旋转器材可选地将所确定的自旋轴的方向传达给服务器。服务器将所确定的自旋轴的方向存储在数据库中。在一个实施例中，服务器可选地是云服务。
根据一个实施例，旋转器材还包括陀螺仪，该陀螺仪布置在旋转器材的主体内部。
根据另一实施例，旋转器材还包括加速度计。加速度计布置在旋转器材的内部。作为示例，加速度计可以嵌入紧凑型封装中(如前所述)，该紧凑型封装安装在主体的内表面，该加速度计配置为向控制模块提供加速度计测量值，并且控制模块被配置为：
-从所提供的加速度计测量值中检测旋转器材是否被射出到弹道轨迹上(即传球、抛掷或抛射)；以及
-如果检测到旋转器材处于弹道轨迹中，则向XYZ磁场传感器提供激活信号，以激活XYZ磁场传感器来执行磁场测量。
本公开提供了一种用于确定旋转器材的位置的系统，其中，旋转器材被配置为
-确定旋转器材的自旋轴的方向；
-估算旋转器材从射出旋转器材的位置到指定目标的水平位移；以及
-向便携式计算设备提供所确定的自旋轴的方向和所估算的水平位移，
其中，便携式计算设备被配置为使用所提供的方向和位移值来确定旋转器材相对于指定目标的位置。
如前所述，旋转器材的位置可用于分析例如篮球比赛。在所述示例中的位置是球相对于诸如篮筐之类的目标的位置。由于相对于篮筐的位置、方向和篮筐位置是已知的，因此可以向用户提供在比赛或练习期间进行的抛射的渲染视图(在用户设备上)。
因此，本系统的优点与以上结合本方法公开的优点相同，并且以上结合本方法列出的实施例经必要修正也适用于该系统。
本公开的实施例可以更准确地确定旋转器材的自旋轴的方向。本公开的实施例可以确定旋转器材相对于指定目标的相对位置。本公开的实施例通过仅在旋转器材沿轨迹移动时才开启XYZ磁场传感器来有益地降低旋转器材的功耗。本公开的实施例可以确定在没有消耗更多功率的陀螺仪传感器的情况下旋转器材的旋转速度。
图1是根据本公开的实施例的旋转器材102的示意图。旋转器材102围绕自旋轴106或以自旋轴106旋转。旋转器材102(例如，篮球或橄榄球)包括XYZ磁场传感器104，该XYZ磁场传感器104附接到旋转器材102的表面(例如，内表面或外表面)。在一个实施例中，当旋转器材102围绕自旋轴106旋转时，XYZ磁场传感器104以与旋转器材102相同的旋转速度围绕自旋轴106旋转。以上已经描述了这些部件的功能。
图2是根据本公开的实施例的系统的示意图。该系统包括旋转器材202(诸如球)、XYZ磁场传感器204A、控制模块204B和通信模块204C。控制模块204B经由无线通信通信地连接到用户设备206。用户设备可以经由网络208向服务器210提供信息。服务器210包括数据库212。上面已经描述了这些部件的功能。
参照图1，图3是根据本公开的实施例的从(图1的)自旋轴106的方向B观察的旋转器材302的示意图。旋转器材302围绕自旋轴306旋转。旋转器材302包括XYZ磁场传感器304，该XYZ磁场传感器304附接到旋转器材302的内表面或结构。XYZ磁场传感器304以角速度(w)308围绕自旋轴306旋转。以上已经描述了这些部件的功能。
图4是根据本公开的实施例的比赛场地或球场400的示意图。比赛场地400(例如，篮球场)包括篮筐408。在一个实施例中，第一球(例如，第一旋转器材)402A和第二球(例如，第二旋转器材)402B被用户朝向篮筐408抛射和/或抛进篮筐408。
在一个实施例中，凭借将第一球402A朝向篮筐408抛射，第一球402A沿着或围绕第一自旋轴406A旋转或自旋。第一球402A包括附接到第一球402A的内表面的第一XYZ磁场传感器404A，该第一XYZ磁场传感器404A围绕第一自旋轴406A旋转。
在一个实施例中，当第二球402B被抛掷或抛射时，第二球402B沿着或围绕第二自旋轴406B旋转。第二球402B包括第二XYZ磁场传感器404B，该第二XYZ磁场传感器404B围绕第二自旋轴406B旋转。
通过使用这些球各自的XYZ磁场传感器确定自旋轴的方向来确定第一球402A和/或第二球402B的飞行方向或轨迹。在一个实施例中，使用加速度计和计时器来测量第一球402A的飞行时间和第二球402B的飞行时间。
在示例实施例中，基于参数magEle(即，局部磁场相对于整体磁场的x轴的水平方向)和magAz(即，局部磁场相对于局部水平面的竖直方向)来计算比赛场地400的磁场参数，该参数magEle和magAz将所获得的对球自旋轴(bsa)的估算值转换为更多有形的方向估算值。在一个实施例中，计算bsa值以确定从已知抛射方向进行的多次抛射的磁场参数。在另一个实施例中，具有以水平自旋轴一致地进行抛射的能力的抛射者/用户可以针对每个方向产生一致的bsa值。
在又一个实施例中，实施优化处理以确定一对磁场参数。在一个实施例中，正确的磁场参数估算通过用地磁数据库验证计算出的magEle值来确定。
在一个实施例中，第一球402A和第二球402B在地上从多个不同方向朝向比赛场地408滚动。在一个实施例中，包括从不同方向抛射的一组抛射被用来确定该组抛射产生的磁场参数/值和抛射方向估算，该抛射方向估算在
Figure BDA0002558202530000211
的范围内，其中，sd是第一球402A或第二球402B的自旋方向。该方法不需要每个抛射的方向，而是需要从不同方向的抛射组。
此外，可以实施一种处理，以使用针对bsa(除去了可能的异常值)获得的最大绝对值来确定magEle，使得|bsa|max＝cos(magEle)。然后，使用magAz将自旋方向的值(sd)设置在预期范围内。
图5是由根据本公开的实施例的附接到旋转器材的加速度计测量的抛射的加速度的图示。该图示描绘了基于在释放旋转器材期间使用加速度计检测到的加速度数据的加速度曲线图504A、504B、504C。曲线图504A是旋转器材(球)被抛射但在其从手释放之前的情况的图示。当旋转器材在空中或飞行时，由于从加速度计的角度来看旋转器材处于自由落体中，因此加速度计读数504C为0。当旋转器材撞击目标或地面时，加速度计读数504B提供与冲击有关的读数。加速度计检测旋转器材是否被射出到弹道轨迹上，并且如果检测到旋转器材处在弹道轨迹中，则激活XYZ磁场传感器。仅当旋转器材处在弹道轨迹中并且围绕自旋轴旋转时才感测磁场值/数据，从而降低了旋转器材的功耗。
在飞行时间期间，通过XYZ磁场传感器收集的磁场值由线502A、502B和502C表示。在旋转器材的飞行期间，三个轴中的每个轴上的XYZ磁场传感器数据都显示为正弦曲线，并且每个XYZ磁场传感器的轴具有任意偏移、幅度、频率和相移值。如果该磁场是均匀的，则这些磁场值会耦合在一起。
图6是根据本公开的实施例的磁场分量的值的图示。该图示将bsa的不同值的总体行为描绘为等值线图，其表明bsa的恒定值的形状随着自旋轴方向在周围磁场中的变化而变化。图示还描绘了自旋轴的对应于水平方向的水平旋转，以及自旋轴的对应于水平方向的竖直旋转。图示示出了表示没有任何约束的自旋轴的线602。
例如，在篮球中，技术上正确的跳投(忽略上篮、扣篮等)是水平地平面与自旋轴之间的角度为零的一种跳投。这对应于线βsa＝0，其在图中被示为线602。在对自旋轴的这种约束的情况下，自旋轴的水平方向保留了两个结果，例如，从磁南方向分别朝向东和西大约为±40°。图示示出了线604，该线604指示沿水平自旋轴的磁场分量的极值，该极值如cos(magEle)所指示(即，磁场的水平分量的大小)。两个可能的结果(两者)都减小到相同的方向，即(i)北或(ii)南中的至少一个。当线602位于“障碍”之外时，以这种形式表现出的问题对于任何水平自旋轴都没有实值和/或物理结果。实际上，当magEle接近±90°和/或自旋轴的方向接近北或南方向时，尤其是对于缺乏经验的抛射手，可能会出现该线602。这也表明了水平自旋轴的精度和magEle之间存在明确的依存关系：cos(magEle)，cos(magEle)规定bsa的一系列物理上有意义的值，并且该范围随着|magEle|的增大而减小，因此使结果对获得的bsa值越来越敏感。
在一个实施例中，水平自旋轴的合理精度的实际极限是大约±80°，该值主要取决于XYZ磁场传感器的质量和抛射手/运动员。在一个实施例中，对于缺乏经验的抛射手，方向估算的精度随着|magEle|的增大而降低得更快。
图7是示出了根据所公开的实施例的各方面的用于确定旋转器材的自旋轴的方向的方法的示例性处理流程的流程图。在步骤702，确定磁场的整体方向。在步骤704，提供旋转器材围绕自旋轴的旋转。自旋轴包括如下线，该线包括三维空间中的在旋转器材自旋期间保持固定的点。在步骤706，当旋转器材绕自旋轴或围绕自旋轴旋转时，利用XYZ磁场传感器测量随时间变化的多个磁场值。通常，自旋轴经过旋转器材的中心(例如，在为球的情况下)。
在步骤708，根据所测量的多个磁场值计算磁场在旋转器材的自旋轴的局部主体坐标的方向上的磁场分量。在步骤710，使用计算出的磁场的磁场分量和所确定的磁场的整体方向来确定自旋轴的方向。
在不脱离由所附权利要求限定的本公开的范围的前提下，可以对上文中描述的本公开的实施例进行修改。用于描述和要求保护本公开的表述，诸如“包括”、“包含”、“并入”、“具有”、“是”旨在以非排他性的方式来解释，即也允许存在没有明确描述的项、部件或元件。提及单数也应解释为涉及复数。

Claims (14)

1.一种用于确定旋转器材的自旋轴的方向的方法，所述旋转器材包括XYZ磁场传感器，所述方法包括：
-确定磁场的整体方向；
-为所述旋转器材提供围绕所述自旋轴的旋转，其中，所述自旋轴沿着下述线被限定，所述线包括三维空间中的在所述旋转器材自旋期间保持固定的点；
-当所述旋转器材围绕所述自旋轴旋转时，利用所述XYZ磁场传感器测量随时间变化的多个磁场值；
-根据所测量的多个磁场值，计算所述磁场在所述旋转器材的所述自旋轴的局部主体坐标的方向上的磁场分量；以及
-使用计算出的所述磁场的磁场分量和所确定的所述磁场的整体方向来确定所述自旋轴的方向。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
-确定所述自旋轴与水平地平面之间的角度；以及
-使用所确定的角度来精确所确定的所述自旋轴的方向。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，确定所述自旋轴的方向还包括：
-找到使所述所测量的多个磁场值的方差最小的方向；
-通过将所述所测量的多个磁场值中的两个连续测量的磁场值进行相互比较，来解析与所找到的所述使所述所测量的多个磁场值的方差最小的方向相关的符号二义性；以及
-使用所找到的带有已解析的符号的方向作为所述自旋轴的方向。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，确定所述自旋轴的方向还包括：
-确定所述自旋轴相对于所述水平地平面的角度；以及
-确定抛射方向相对于所述自旋轴的水平分量的角度。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，通过以下数学公式来确定所述磁场在所述旋转器材的所述自旋轴的局部主体坐标的方向上的所述磁场分量：
Figure FDA0002558202520000021
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括：
-使用所述旋转器材的飞行时间、释放速度、初始高度和所述旋转器材相对于地面的高度中的至少一项来估算所述旋转器材的水平位移；以及
-通过将所述旋转器材的所述自旋轴的方向与所述水平位移相结合来确定所述旋转器材相对于指定目标的位置。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述磁场的整体方向通过以下方式确定：
-将所述旋转器材沿已知水平方向的轨迹射出至少一次；
-使用与至少一个局部环境有关的地理信息；或
-使用第二传感器。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括：
-使用所述旋转器材的加速度计来检测所述旋转器材是否被射出到弹道轨迹上；以及
-如果检测到所述旋转器材处在所述弹道轨迹中，则激活所述XYZ磁场传感器。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述旋转器材处在所述弹道轨迹上的时间间隔期间确定所述自旋轴的方向。
10.一种用于确定旋转器材的自旋轴的方向的方法，所述旋转器材包括XYZ磁场传感器和陀螺仪，所述方法包括：
-确定磁场的整体方向；
-为所述旋转器材提供围绕所述自旋轴的旋转，其中，所述自旋轴沿着下述线被限定，所述线包括在三维空间中的在所述旋转器材旋转期间保持固定的点；
-当所述旋转器材围绕所述自旋轴旋转时，利用所述XYZ磁场传感器测量至少一个磁场值；
-用所述陀螺仪测量至少一个角速度值和取向值；以及
-使用所测量的至少一个磁场值、所述至少一个角速度值、所述取向值和所确定的所述磁场的整体方向来确定所述自旋轴的方向。
11.一种旋转器材，所述旋转器材包括：
-主体；
-XYZ磁场传感器，所述XYZ磁场传感器布置在所述主体的内部，并且被配置为当所述旋转器材围绕自旋轴旋转时测量随时间变化的至少一个磁场值；以及
-控制模块，所述控制模块布置在所述主体的内部并且通信地连接到所述XYZ磁场传感器，其中，所述控制模块被配置为：
-接收所测量的至少一个磁场值；
-根据接收到的至少一个所测量的磁场值计算出磁场在所述旋转器材的所述自旋轴的局部主体坐标的方向上的磁场分量；以及
-使用计算出的所述磁场的磁场分量和所确定的所述磁场的整体方向来确定所述自旋轴的方向。
12.根据权利要求11所述的旋转器材，所述旋转器材还包括陀螺仪，所述陀螺仪布置在所述旋转器材的所述主体的内部。
13.根据权利要求11至12中任一项所述的旋转器材，所述旋转器材还包括加速度计，所述加速度计布置在所述旋转器材的内部，其中，所述加速度计被配置为向所述控制模块提供加速度计测量值，并且所述控制模块被配置为：
-从所提供的测量值中检测所述旋转器材是否被射出到弹道轨迹上，以及
-如果检测到所述旋转器材处在所述弹道轨迹中，则向所述XYZ磁场传感器提供激活信号，以激活所述XYZ磁场传感器来进行磁场测量。
14.一种用于确定旋转器材的位置的系统，其中，所述旋转器材被配置为：
-确定所述旋转器材的自旋轴的方向；
-估算所述旋转器材从射出所述旋转器材的位置到指定目标的水平位移；以及
-向便携式计算设备提供所确定的所述自旋轴的方向和所估算的水平位移，其中
所述便携式计算设备被配置为使用所提供的方向和位移值来确定所述旋转器材相对于所述指定目标的位置。
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