CN112870670A - 面向单板滑雪模拟的数据测量处理方法及测量互动设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向单板滑雪模拟的数据测量处理方法，同时也公开了用于实施该数据测量处理方法的测量互动设备。该方法包括如下步骤：S1，使用者改变滑雪动作，滑雪板面随着使用者的动作发生角度变化；S2，结合S1中的角度变化，测量滑雪板面的角度数据；角度数据包括滑雪板面的方位角、仰俯角、翻滚角、方位角速度、仰俯角速度、翻滚角速度、方位角加速度、仰俯角加速度、翻滚角加速度中的至少一种；S3，根据接收到的角度数据，判断使用者的滑雪动作，计算出单板滑雪模拟所需的滑行速度、方向和轨迹。利用本发明，可以将使用者的动作实时重现在单板滑雪模拟场景中，从而对滑雪训练效果进行即时反馈，有利于滑雪模拟训练。

Description

面向单板滑雪模拟的数据测量处理方法及测量互动设备

技术领域

本发明涉及一种面向单板滑雪模拟的数据测量处理方法，同时也涉及相应的测量互动设备，属于数据测量技术领域。

背景技术

单板滑雪（Snowboarding）源于20世纪60年代中期的美国，其产生与冲浪运动有关。单板滑雪选手使用一个滑雪板而不是一双滑雪板，利用身体和双脚来控制方向。它既有冲浪的自由洒脱和流畅优美，又有滑板的驰骋雪海的刺激震撼。单板滑雪作为象征着自由与创新的新潮运动，在世界上掀起了一场单板运动浪潮。

但是，单板滑雪运动要求运动员具备良好的身体平衡能力和不同时空状态下身体姿势的控制能力，也就是说只有具备了良好平衡能力和身体控制能力才能得心应手的控制滑板。因此，要想学会单板滑雪，并且成为高水平的滑雪者，必须经过长期的实践和训练，不断提升平衡能力和身体姿态控制能力，才有可能达到目的。

在我国很多地方，一年四季很少下雪；尤其在广大的南方地区，连冬天都很少有雪，导致很多滑雪爱好者无法通过真实的雪地学习单板滑雪。为此，在专利号为ZL201720554454.2的中国实用新型中，公开了一种模拟单板滑雪训练器，底支架组焊件通过地脚螺栓设置在连接支板上，底支架组焊件的一侧上方设有左立柱组件和右立柱组件，在左立柱组件和右立柱组件之间设有塑木扶手组件；在底支架组焊件的一侧设有踏板组件，另一侧设有转盘组件，踏板组件可沿模拟滑雪道起伏不平的弧形轨道滑动，进而带动转盘支架焊件转动，护罩罩设在转盘支架焊件和转盘组件上，通过螺钉固定在底支架组焊件上。该实用新型便于业余爱好者或专业运动员进行单板滑雪模拟，使用者可以根据自身的身体状况，合理调控运动强度，可有效提高锻炼的科学性，安全性。但是，此类现有技术往往不能掌握模拟单板滑雪所需要的准确数据，所实现的模拟效果良莠不齐。

为此，在申请号为201810725414.9的中国专利申请中，公开了一种内置芯片的智能滑雪监测系统。在滑雪过程中，芯片采集滑雪的原始数据并在滑雪结束后将该原始数据发送给服务器，服务器对原始数据进行分析计算，提取滑雪参数并利用提取出的滑雪参数形成滑雪数据和/或计算得到滑雪得分，并将滑雪数据和/或滑雪得分发送给与滑雪板关联的移动终端，从而能从专业的技术与数据分析的角度有效帮助滑雪者进行滑雪指导与姿态校准。

发明内容

本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种面向单板滑雪模拟的数据测量处理方法。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种用于实施上述数据测量处理方法的测量互动设备。

为了实现上述目的，本发明采用下述的技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，提供一种面向单板滑雪模拟的数据测量处理方法，包括如下步骤：

S1，使用者改变滑雪动作，滑雪板面随着使用者的动作发生角度变化；

S2，结合S1中的角度变化，测量滑雪板面的角度数据；所述角度数据包括滑雪板面的方位角、仰俯角、翻滚角、方位角速度、仰俯角速度、翻滚角速度、方位角加速度、仰俯角加速度、翻滚角加速度中的至少一种；

S3，根据接收到的角度数据，判断使用者的滑雪动作，计算出单板滑雪模拟所需的滑行速度、方向和轨迹。

其中较优地，当测量到方位角在－5～5度之间或175～185度之间变化时，判断滑雪板面呈纵向；同时，如果滑雪板面的翻滚角没有发生角度变化时，判断使用者在直降滑雪，计算出虚拟人物的滑行速度和滑行轨迹。

其中较优地，直降滑雪的滑行速度的计算公式如下：

V＝

.

其中，V是直降滑雪的滑行速度，M是滑雪者的质量，m是滑板的质量，g为重力加速度，α为下滑雪道的倾角，μ为滑板在雪道上的滑动阻力系数，c是空气黏度，ρ为空气密度，s为滑雪者的迎风面积，S为滑雪者的位移。

其中较优地，当测量到方位角在85～95度之间变化时，判断滑雪板面呈后刃推坡，此时，如果滑雪板面的翻滚角发生变化时，判断使用者在加速或减速，根据翻滚角的数值计算出虚拟人物的当前滑行速度及滑行轨迹；其中，当滑行速度减小到0时，实现刹车。

其中较优地，后刃推坡的滑雪速度计算公式如下：

V＝

，

K＝（M＋m）g（sin（α-θ）-µcos（α-θ）-cos（α-θ）sinθ）；

其中，V是后刃推坡的滑雪速度，M是滑雪者的质量，m是滑板的质量，g为重力加速度，α为下滑雪道的倾角，θ为滑雪板与雪道间的夹角，μ为滑板在雪道上的滑动阻力系数，c是空气黏度，ρ为空气密度，s为滑雪者的迎风面积，S为滑雪者的位移。

其中较优地，当测量到方位角在－5～5度之间或175～185度之间变化时，此时，如果测量到滑雪板面的翻滚角发生变化时，判断使用者在立刃转弯，根据翻滚角的数值和其他参数计算出转弯方向、转弯半径、转弯角度和滑行轨迹。

其中较优地，当判断使用者在立刃转弯时，计算转弯半径的公式如下：

r＝v²/(gcosαtanγ)，

其中，v是滑雪速度，r是转弯半径，g为重力加速度，α为下滑雪面与水平面间的倾角，γ为滑板平面的翻滚角。

其中较优地，当测量到方位角在±90度之间或90～270度之间变化时，判断滑雪板面在纵向到横向之间变化，此时，如果翻滚角在－5～5度之间变化时，判断使用者在搓雪转弯，根据方位角的数值计算出转弯方向、转弯半径、转弯角度和滑行轨迹。

其中较优地，当判断使用者在搓雪转弯时，虚拟人物的转弯角度等于滑板平面的方位角。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种面向单板滑雪模拟的测量互动设备，用于实施上述的数据测量处理方法，该测量互动设备包括角度检测单元、控制单元、数据处理单元和图像输出单元，其中：

所述角度检测单元，用于检测滑雪板面的方位角、仰俯角、翻滚角、方位角速度、仰俯角速度、翻滚角速度、方位角加速度、仰俯角加速度、翻滚角加速度等参数中的至少一种；

所述控制单元，与所述角度检测单元连接，并通过有线或无线的方式与所述数据处理单元进行数据交互；所述控制单元实时将所述角度检测单元所检测到的角度数据传送到所述数据处理单元；

所述数据处理单元，用于根据预定的程序生成单板滑雪模拟场景，并根据接收到的角度数据判断使用者的动作，计算出虚拟人物的滑行速度、方向和轨迹，并更新单板滑雪模拟场景中的虚拟人物的动作和轨迹；

所述图像输出单元，与所述数据处理单元相连接，用于对外输出单板滑雪模拟场景的画面。

其中较优地，所述测量互动设备还包括动作执行单元；所述动作执行单元包括用于实现滑雪板面的角度变化和/或上下移动的液压缸、气缸或电动缸，用于根据单板滑雪模拟场景中雪地的倾斜角度和/或颠簸情况改变所述滑雪板面的角度和/或颠簸，模拟虚拟雪地的倾斜角度和/或颠簸状态。

其中较优地，该测量互动设备还包括多个动作执行单元和连接件；

滑雪模拟台的支撑框架固定设置在水平面上，多个所述动作执行单元的一端分别固定到所述支撑框架上，另一端连接到所述连接件上；所述滑雪模拟台的第一支撑件和所述连接件通过支撑弹簧连接；

所述角度检测单元和所述控制单元固定到所述滑雪模拟台的第二支撑件上；

在所述连接件的四周设置有多个所述动作执行单元的控制器，所述控制器通过有线或无线的方式与所述控制单元连接。

利用本发明所提供的数据测量处理方法，可以获得模拟单板滑雪所需要的准确数据，实现极为逼真的单板滑雪模拟效果。相应的测量互动设备，可以将使用者的动作实时重现在单板滑雪模拟场景中，从而对滑雪训练效果进行即时反馈，有利于滑雪模拟训练。并且，当使用包含液压缸、气缸或电动缸等动作执行单元的滑雪模拟台时，动作执行单元还可以根据单板滑雪模拟场景中雪地的倾斜角度及颠簸情况使滑雪板面发生角度改变或颠簸，更增强了虚拟滑雪运动的互动性和逼真性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的面向单板滑雪模拟的数据测量处理方法流程图；

图2a、图2b分别是边刃弯曲的单板的正视结构示意图和俯视结构示意图；

图3是立刃转弯的原理示意图；

图4是滑雪板面的方位角、俯仰角和翻滚角的示意；

图5a是直降滑雪过程中，人体和滑雪板的受力分析状态图；

图5b是后刃推坡过程中，人体和滑雪板的受力分析状态图；

图5c是立刃转弯过程中，人体和滑雪板的受力分析状态图；

图6是本发明实施例中，测量互动设备与滑雪模拟台的连接关系框图；

图7是本发明实施例中，测量互动设备与滑雪模拟台的示意性连接方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行进一步地详细说明。

如图1所示，本发明首先提供了一种面向单板滑雪模拟的数据测量处理方法。该方法主要包括如下步骤：

S1，使用者改变滑雪动作，滑雪板面随着使用者的动作发生角度变化；

S2，结合S1中的角度变化，测量滑雪板面的角度数据；所述角度数据包括滑雪板面的方位角、仰俯角、翻滚角、方位角速度、仰俯角速度、翻滚角速度、方位角加速度、仰俯角加速度、翻滚角加速度中的至少一种；

S3，根据接收到的角度数据，判断使用者的滑雪动作，计算出单板滑雪模拟所需的滑行速度、方向和轨迹。

在利用上述数据测量处理方法获得单板滑雪模拟所需的滑行速度、方向和轨迹之后，可以在显示屏幕中布置出虚拟的单板滑雪模拟场景，并在单板滑雪模拟场景中设置与使用者对应的虚拟人物，从而将使用者的动作实时重现在单板滑雪模拟场景中，对滑雪训练效果进行即时反馈，有利于滑雪模拟训练。

为了能更准确地模拟出单板滑雪的下滑、加减速和转弯，发明人对实际的单板滑雪运动进行了深入分析，研究了滑雪者的滑雪动作和滑雪板面的角度之间的对应关系，具体说明如下：

单板滑雪者在雪坡往下滑行时，后刃推坡是一个基本动作。单板后刃推坡，也叫单板后刃横滑降，是指滑雪者面向山下，用脚跟侧的板刃刻雪，沿着垂直落下线向山下横向推滑的单板滑雪技术，是单板初学者必须扎实掌握的技术之一，也是调节速度的滑行方法之一。后刃推坡时，脚尖和单板慢慢放下，向下滑下；单板向下角度加大，速度加快；脚尖和单板慢慢抬起，速度减慢或停止。同时，后刃推坡也是减速和刹车的方法。在板头朝下滑行过程中，把滑板打横并后刃推坡下行，可以实现减速或刹车。滑板与坡面角度越大，减速效果越好，直至刹车停止。在实际滑雪中，还有前刃推坡这个动作。考虑到这个动作背向滑行方向，在单板滑雪模拟场景中采用这个姿势无法看到显示屏幕中的虚拟雪景，故在单板滑雪模拟场景中不考虑这个动作。

滑雪者在雪坡上滑行转弯时，早期采用搓雪转弯的方式，搓雪转弯方式适用于边刃为直边的单板。搓雪转弯需提前转动身体带动单板转动，是身体主动带动雪板转弯。目前一般采用立刃转弯的方式，立刃转弯方式适用于边刃弯曲的单板。边刃是弯曲的单板能够更好的转弯。现在的立刃转弯，肩膀跟板头保持一致，通过移动身体重心让边刃与雪地产生一个角度并切入雪地中，并且边刃形成一个曲线，边刃带着人转弯，人是被动转弯。

图2a和图2b是目前普遍采用的边刃弯曲的单板的主视图和俯视图。从图2a所示的主视图可以看出，无论什么板型，边刃弯曲的单板的头尾两端都是翘起的。头尾两端的翘起可以让单板有更好的通过性，减少雪面不平的卡顿感。从图2b所示的俯视图可以看出，单板的两侧是两条曲线而并不是直线。这是为了让单板更容易转弯，转的弯更圆滑。

如图3和图5c所示，滑雪者在采用立刃转弯进行向左转弯时，随着身体重心向左移动，会产生指向右下方的压力，使得单板中部和边刃以两个触雪点为支点向右方弯曲，形成圆弧。边刃形成的这个圆弧就是单板滑行转弯形成的圆弧，相应的转弯半径为r。

根据以上对单板滑雪运动的分析，可以得到如表1所示的滑雪动作和单板角度之间的关系。以垂直于滑板面向上的方向为轴旋转的角度称为方位角，从滑板板尾指向板头的方向为轴旋转的角度称为翻滚角，以与这两个方向都垂直的方向为轴旋转的角度称为仰俯角。如图4所示。以滑雪板面处于水平面并呈纵向，板头正对单板滑雪模拟场景的显示屏幕时为初始状态，此时，方位角、仰俯角和翻滚角分别为0度。当单板在水平面内由纵向旋转到横向时，方位角旋转约±90度（后刃推坡时方位角约90度，前刃推坡时方位角约－90度，因为前刃推坡不适合滑雪模拟系统，下文中不再考虑前刃推坡的情况），仰俯角和翻滚角约为0度。当单板呈纵向时，单板左倾或右倾，方位角和仰俯角约为0度，翻滚角产生变化；单板前头或尾端下压，方位角和翻滚角约为0度，此时，可以测量到仰俯角变化。当单板呈横向后刃推坡时，单板下压或抬起，可以测量到翻滚角发生变化，方位角约为90度，仰俯角约为0度。当单板搓雪转弯时，单板在水平面内发生转动，方位角发生变化（一般在±90度之间或90度至270度之间变化），仰俯角和翻滚角约为0度；当单板立刃转弯时，翻滚角发生变化，方位角随着圆周运动发生改变，仰俯角约为0度。可以理解，在滑雪过程中，由于滑雪者的滑雪动作存在一定偏差，滑雪板面的方位角变化仅能进行近似估计，因此，当判断滑雪者的滑雪动作时，可以预设一定角度偏差。例如，可以将方位角在89度～91度之间的变化近似处理为90度，从而判断板面朝向为横向，此时可以认为滑雪者在进行后刃退坡动作。在本发明所涉及到的角度描述中所使用的“约”可以认为相对于标准角度允许存在至多±5度的偏差。

表1 滑雪动作与滑雪板面的角度之间的对应关系

滑雪动作	板面方位角	板面仰俯角	板面翻滚角
				后刃推坡加速	约90度	基本不变	减小
后刃推坡减速	约90度	基本不变	适当增大
				后刃推坡刹车	约90度	基本不变	增大到一定角度
立刃转弯中的右转或左转	随圆周运动变化	基本不变	变化
				搓雪转弯的左转或右转	变化	基本不变	基本不变
直降滑雪	约0度或180度	约0度	约0度

在本发明实施例提供的面向单板滑雪模拟的数据测量处理方法中，步骤S1和步骤S3中存在如下的对应关系：

如果在步骤S1中，使用者站在模拟台板面上，板面呈纵向，板头或板尾朝前，沿着单板滑雪模拟场景的雪坡下落线方向。其中，使左肩或右肩朝向单板滑雪模拟场景中的虚拟下坡场景，控制显示屏幕中的虚拟人物向下滑行。

在步骤S1中，如果使用者直接沿着单板滑雪模拟场景的雪坡下落线方向直降滑雪，那么在步骤S3中，传感器测量到板面的方位角为约0度或180度，滑雪板面仰俯角和翻滚角约0度，此时可以计算出虚拟人物进行直降滑雪时的滑行速度。

在图5a中，对直降滑雪动作进行了受力分析。假设滑板给滑雪者垂直于滑板面的压力为N，F是滑雪者和滑板在斜面方向的分量，M是滑雪者的质量，m是滑板的质量，v是运动速度，g为重力加速度，α为下滑雪道的倾角，μ为滑板在雪道上的滑动阻力系数，ƒ1为滑动摩擦阻力，ƒ2为空气阻力，β为空气阻力系数，c是空气黏度，ρ为空气密度，s为滑雪者迎风面积，a为滑雪者直降滑雪的加速度，S为滑雪者的位移。在S＝0时，v＝0。

根据空气动力学，

β＝cρs/2

根据受力分析，

F＝（M＋m）gsinα

N＝（M＋m）gcosα

ƒ1＝µN

ƒ2＝β

＝cρs

/2

（M＋m）a＝F-ƒ1-ƒ2

a＝dv/dt＝dS/dt*dv/dS＝vdv/dS

根据以上方程，得到直降滑雪的滑行速度

V＝

.

在此过程中，为了减速或刹车，把板面旋转成横向，成为后刃推坡状态，通过改变滑雪板面向前或向后的翻滚角，可以控制虚拟人物进行后刃推坡时的滑行速度，实现减速或刹车。此时，在步骤S3中，传感器测量板面的方位角由约0度旋转到约90度，通过传感器可以测量到滑雪板面翻滚角的变化，通过测量滑雪板面向前或向后的翻滚角，可以计算出虚拟人物进行后刃推坡时的滑行速度，当滑行速度减小到0时，实现刹车。

在图5b中，对后刃推坡动作进行了受力分析。假设滑板给滑雪者垂直于滑板面的压力为N，F是滑雪者和滑板在斜面方向的分量，M是滑雪者的质量，m是滑板的质量，v是运动速度，g为重力加速度，α为下滑雪道的倾角，θ为滑雪板与雪道间的夹角，μ为滑板在雪道上的滑动阻力系数，ƒ1为滑动摩擦阻力，ƒ2为空气阻力，ƒ3为后刃推坡时额外增加的推雪阻力，β为空气阻力系数，c是空气黏度，ρ为空气密度，s为滑雪者迎风面积，a为滑雪者直降滑雪的加速度，S为滑雪者的位移。在S＝0时，v＝0。

根据空气动力学，

β＝cρs/2

根据受力分析，

F＝（M＋m）gsin（α-θ）

N＝（M＋m）gcos（α-θ）

ƒ1＝µN

ƒ2＝β

＝ cρs

/2

ƒ3＝Nsinθ

（M＋m）a＝F-ƒ1-ƒ2-ƒ3

a＝dv/dt＝dS/dt*dv/dS＝vdv/dS

根据以上方程，得到后刃推坡的速度

V＝

其中k＝（M＋m）g（ sin（α-θ）-µcos（α-θ）-cos（α-θ）sinθ ）。

如果在步骤S1中，使用者站在模拟台板面上，板面呈纵向，板头或板尾朝前，沿着单板滑雪模拟场景雪坡下落线。使左肩朝向单板滑雪模拟场景中的虚拟下坡场景，通过向身体前方或向身体后方移动身体重心，使板面向雪坡下落线右边或左边翻滚一定角度，用于模拟单板滑雪中立刃转弯的右转或左转；或者，使右肩朝向单板滑雪模拟场景中的虚拟下坡场景，通过向身前或向身后移动身体重心，使板面向雪坡下落线左边或右边翻滚一定角度，用于模拟单板滑雪中立刃转弯的左转或右转。通过改变滑雪板面向身体前方或向身体后方转动的翻滚角，可用于控制虚拟人物的转弯方向、转弯半径和转弯速度。此时，在步骤S3中，通过传感器可以测量到滑雪板面翻滚角的变化，通过测量滑雪板面面向身体前方或向身体后方转动的翻滚角，可以计算出单板滑雪模拟所需的转弯方向、转弯半径r和转弯速度v。

计算向左或向右的转弯的转弯方向和转弯半径r的方法如下：

立刃转弯模式下，滑雪者近似做圆周运动，如图3所示。整个板都在雪面上，滑行方向一直跟雪板的板头朝向一致，跟圆心的连线垂直。滑雪者从直降滑雪或后刃推坡滑雪开始转弯，滑雪速度v从上文中的直降滑雪或后刃推坡速度公式中计算得出。

在图5c中，对立刃转弯滑雪进行了受力分析。如图5c所示，在转弯时，滑雪者受到竖直向下的重力G、滑板给滑雪者的垂直于滑板面的压力N，F是滑雪者转弯在水平面做圆周运动的向心力，M是滑雪者的质量，m是滑板的质量，v是滑雪速度，r是转弯时所走圆弧的半径，即转弯半径，g为重力加速度，α为下滑雪面与水平面间的倾角，γ为滑板平面的翻滚角。

根据圆周运动公式，F＝（M＋m）v²/r。

因为滑雪者在垂直于雪面方向没有运动，故N在垂直于雪面方向分量与G垂直于雪面方向分量相等，得出：

Ncosγ＝（M＋m）gcosα

Nsinγ＝F

根据上述三个方程，可以求出转弯半径

r＝v²/（gcosαtanγ）

如果在步骤S2中，使用者站在滑雪板面上，在水平面上向左或向右转动滑雪板面，模拟单板滑雪搓雪转弯的左转或右转，通过改变滑雪板面左转或右转的角度，控制虚拟人物左转或右转。此时，通过传感器测量滑雪板面向左或向右偏转的方位角，可以获得虚拟人物的转弯方向和转弯角度，单板滑雪模拟场景中虚拟人物的转弯角度和滑雪板面的方位角相同。

由此可知，在步骤S3中，当接收到滑雪板面的仰俯角、翻滚角、方位角或角速度、角加速度等角度数据之后，可以根据滑雪板面的角度数据，判断使用者的滑雪动作，并计算出单板滑雪模拟所需的转弯方向、转弯半径、转弯速度、滑行速度等参数，然后控制虚拟人物加速或减速、向左或向右的转弯，同时，可以根据虚拟人物的滑行速度计算滑雪轨迹，并在单板滑雪模拟场景中对虚拟人物的滑雪轨迹进行更新。

具体来说，当测量到方位角在－5～5度之间（板头向前）或175～185度之间（板尾向前）变化时，判断滑雪板面呈纵向，同时，如果滑雪板面基本没有发生翻滚角变化时，判断使用者在直降滑雪，计算出虚拟人物的滑行速度和滑行轨迹，并对虚拟人物的滑行状态进行更新；

当测量到方位角在85～95度之间变化时，判断滑雪板面呈横向后刃推坡，此时，如果滑雪板面的翻滚角发生变化时，判断使用者在加速或减速，根据翻滚角和其他参数的数值计算出虚拟人物的当前滑行速度及滑行轨迹，并对虚拟人物的滑行状态进行更新；其中，当滑行速度减小到0时，实现刹车；

当测量到方位角在－5～5度之间或175～185度之间变化时，此时，如果测量到滑雪板面的翻滚角发生变化时，判断使用者在立刃转弯，根据翻滚角和其他参数的数值计算出转弯方向、转弯半径、转弯角度和滑行轨迹，并对虚拟人物的滑行状态进行更新；

当测量到方位角在±90度之间或90～270度之间变化时，判断滑雪板面在纵向到横向之间变化，此时，如果翻滚角在－5～5度之间变化时，判断使用者在搓雪转弯，根据方位角的数值计算出转弯方向、转弯半径、转弯角度和滑行轨迹，并对虚拟人物的滑行状态进行更新。虚拟人物的转弯角度和滑雪板面的方位角相同。

进一步地，本发明实施例还提供了一种用于实施上述数据测量处理方法的测量互动设备。如图6所示，该测量互动设备包括角度检测单元12、控制单元11、数据处理单元21、图像输出单元22和声音输出单元23。

其中，角度检测单元12和控制单元11连接，控制单元11和数据处理单元21以有线或无线的方式连接。滑雪板面10用于模拟单板滑雪用的单板，并且，滑雪板面的角度会随着使用者的动作发生改变；角度检测单元12用于测量滑雪板面10的方位角、仰俯角、翻滚角、方位角速度、仰俯角速度、翻滚角速度、方位角加速度、仰俯角加速度、翻滚角加速度等参数中的至少一种；控制单元11通过有线或无线的方式与数据处理单元21进行数据交互，控制单元11实时将角度检测单元12所测量到的角度数据传送到数据处理单元21。

数据处理单元21用于根据预定的程序生成单板滑雪模拟场景，并根据接收到的角度数据判断使用者的动作，计算出虚拟人物的滑行速度、方向和轨迹，并更新单板滑雪模拟场景中的虚拟人物的动作和轨迹。

图像输出单元22和声音输出单元23分别与数据处理单元21相连接，图像输出单元22用于对外输出单板滑雪模拟场景的画面；声音输出单元23用于对外输出单板滑雪模拟场景的声音。

具体来说，本发明使用包含滑雪板面的滑雪模拟台1模拟单板滑雪用的单板，不断实时测量滑雪数据，对数据进行处理，并与单板滑雪模拟场景进行互动。滑雪模拟台1中包含一个滑雪板面10，滑雪板面10可采用现有的平衡板、平衡球、智能滑雪板或滑雪模拟器。使用者站立在滑雪板面10上进行各种动作，滑雪板面可以随着使用者的动作发生不同方向的转动，即，发生角度变化。控制单元11和角度检测单元12内置于滑雪模拟台1中，角度检测单元12可测量滑雪模拟台1中滑雪板面10的方位角、仰俯角、翻滚角、方位角速度、仰俯角速度、翻滚角速度、方位角加速度、仰俯角加速度、翻滚角加速度等参数中至少一种，并将上述角度数据发送到控制单元11。控制单元11通过有线或无线的方式实时将角度数据传送到数据处理单元21，并与数据处理单元21进行数据互动。

数据处理单元21可以使用PC电脑、平板电脑、智能电视、智能盒子或手机等实现。数据处理单元21用于根据预定的程序生成单板滑雪模拟场景，单板滑雪模拟场景的画面显示在图像输出单元22，单板滑雪模拟场景的声音通过声音输出单元23对外输出；并且数据处理单元21根据接收到的角度数据，判断使用者的动作，计算出虚拟人物的滑行速度、方向和轨迹，并更新单板滑雪模拟场景中虚拟人物的动作和轨迹。在上述单板滑雪模拟场景中使用的单板可以为边刃弯曲的单板，也可以为滑雪运动早期使用的边刃为直边的单板。

优选地，在滑雪模拟台的测量互动设备中还包括动作执行单元13，动作执行单元13用于根据单板滑雪模拟场景中雪地的倾斜角度和/或颠簸情况改变滑雪板面10的角度和/或颠簸，从而模拟虚拟雪地的倾斜角度和/或颠簸状态，增强模拟滑雪的真实性。

动作执行单元13包括用于实现滑雪板面10的角度变化和/或上下移动的液压缸、气缸或电动缸中的一种或多种。使用具有动作执行单元13的测量互动设备，在滑雪开始之前，控制单元11可以通过动作执行单元13改变滑雪板面10的初始角度，模拟滑雪起点位置的雪地的倾斜角度；在滑雪过程中，控制单元11可以根据数据处理单元21计算出的颠簸参数使滑雪板面10产生上下移动，改变滑雪板面10的颠簸，模拟滑雪过程中的颠簸情况，从而更加增加滑雪运动的真实性，达到训练的目的。

本发明同时提供了滑雪模拟台与测量互动设备的示意性连接方式。如图7所示，滑雪模拟台1包括支撑框架100、滑雪板面102、第一支撑件103、第二支撑件104、支撑弹簧106和连接件107，测量互动设备包括检测单元和控制单元105、多个电动缸101（图示为4个）和多个电动缸的控制器108。

其中，支撑框架100固定设置在水平面上，四个电动缸101的一端分别固定到支撑框架100上，另一端连接到连接件107上。四个电动缸101分别用于从四个不同的方向对连接件107提供支撑力，通过不同的电动缸101，可以改变连接件107的倾斜角度。

滑雪板面102的底部固定有第一支撑件103，第一支撑件103的下表面和第二支撑件104的上表面可旋转式连接，第一支撑件103和滑雪板面102可相对于第二支撑件104旋转。优选地，第一支撑件103和第二支撑件104是支撑盘。

检测单元和控制单元105固定到第一支撑件103上。检测单元和控制单元105包括角度检测单元12和控制单元11。角度检测单元12用于测量滑雪板面100的方位角、仰俯角、翻滚角、方位角速度、仰俯角速度、翻滚角速度、方位角加速度、仰俯角加速度、翻滚角加速度等参数中至少一种。控制单元11通过有线或无线的方式与数据处理单元21进行数据交互，控制单元11实时将角度检测单元12所测量到的角度数据传送到数据处理单元21。

第二支撑件104和连接件107通过支撑弹簧106连接。支撑弹簧106的上端固定到第二支撑盘104的下表面，支撑弹簧106的下端固定到连接件107的上表面。

在连接件107的四周还设置有四个电动缸101的控制器108。电动缸101的控制器108通过有线或无线的方式与控制单元11连接。控制单元11通过控制器108控制电动缸101，改变滑雪板面102的角度，从而模拟滑雪起点位置的雪地的倾斜角度，以及模拟滑雪过程中的颠簸情况。

下面对上述滑雪模拟台与测量互动设备互动的工作原理进行描述。具体来说：开启滑雪模拟台和测量互动系统，使用者站在滑雪模拟台的滑雪板面上，数据处理单元生成单板滑雪模拟场景；使用者根据单板滑雪模拟场景的画面改变滑雪动作，滑雪板面随着使用者的动作发生角度变化；角度检测单元测量滑雪板面的角度数据，并通过控制单元发送给数据处理单元；角度数据包括滑雪板面的方位角、仰俯角、翻滚角、方位角速度、仰俯角速度、翻滚角速度、方位角加速度、仰俯角加速度、翻滚角加速度等参数中至少一种；数据处理单元根据接收到的滑雪板面的角度数据，判断使用者的滑雪动作，计算出虚拟人物的滑行速度、方向和轨迹，并更新单板滑雪模拟场景中的虚拟人物的滑雪动作和滑雪轨迹，滑雪动作包括匀速下滑、加速、减速、左转、右转和刹车。

当上述滑雪模拟台测量互动设备包括动作执行单元时，还可以使动作执行单元根据单板滑雪模拟场景中雪地的角度和颠簸参数改变滑雪板面的角度和颠簸。

例如，当使用者站在滑雪模拟台的滑雪板面上，行动执行单元根据单板滑雪模拟场景中起始位置的虚拟雪地的角度改变滑雪板面的初始角度。具体来说，若滑雪模拟台的测量互动设备中包含用于改变角度的气缸等，则数据处理单元将初始滑雪位置的虚拟雪地的角度（即虚拟滑板的初始角度）等数据回传给控制单元，控制单元控制行动执行单元使滑雪板面发生角度变化，模拟模拟雪坡初始位置的倾斜角度。若滑雪模拟台的测量互动设备中不包含用于改变角度的气缸等，则无此步骤。

又如，在使用者滑雪的过程中，数据处理单元计算出单板滑雪模拟场景中当前虚拟雪地的颠簸参数，并根据单板滑雪模拟场景中当前虚拟雪地的颠簸参数改变滑雪板面的颠簸状态。具体来说，若滑雪模拟台的测量互动设备中包含用于产生颠簸的气缸，则数据处理单元根据当前的单板滑雪模拟场景的雪地角度、滑板角度和滑行速度方向等参数，计算出虚拟滑板在当前虚拟雪地的颠簸参数，并将其回传给控制单元，控制单元控制行动执行单元使滑雪板面发生颠簸（上下移动），增强模拟滑雪的真实性。若测量互动设备中不包含用于产生颠簸的气缸等，则无此步骤。

综上所述，本发明实施例提供的测量互动设备，使用者通过滑雪模拟台中的滑雪板面模拟滑雪动作，数据处理单元根据滑雪板面的角度数据判断使用者的滑雪动作，计算出虚拟人物的滑行速度、转弯方向、转弯角度、转弯半径和滑行轨迹，并更新单板滑雪模拟场景中虚拟人物的动作和轨迹。上述测量互动设备，可以将使用者的动作实时重现在单板滑雪模拟场景中，从而对滑雪训练效果进行即时反馈，有利于滑雪模拟训练。并且，当使用包含液压缸、气缸或电动缸等动作执行单元的滑雪模拟台时，动作执行单元还可以根据单板滑雪模拟场景中雪地的倾斜角度及颠簸情况使滑雪板面发生角度改变或颠簸，更增强了虚拟滑雪运动的互动性和逼真性，更具有趣味性，有利于滑雪模拟训练。

以上对本发明所提供的面向单板滑雪模拟的数据测量处理方法及其测量互动设备进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (12)

1.一种面向单板滑雪模拟的数据测量处理方法，其特征在于包括如下步骤：

S1，使用者改变滑雪动作，滑雪板面随着使用者的动作发生角度变化；

S2，结合S1中的角度变化，测量滑雪板面的角度数据；所述角度数据包括滑雪板面的方位角、仰俯角、翻滚角、方位角速度、仰俯角速度、翻滚角速度、方位角加速度、仰俯角加速度、翻滚角加速度中的至少一种；

S3，根据接收到的角度数据，判断使用者的滑雪动作，计算出单板滑雪模拟所需的滑行速度、方向和轨迹。

2.如权利要求1所述的数据测量处理方法，其特征在于：

当测量到方位角在－5～5度之间或175～185度之间变化时，判断滑雪板面呈纵向，同时，如果滑雪板面的翻滚角没有发生角度变化时，判断使用者在直降滑雪，计算出虚拟人物的滑行速度和滑行轨迹。

3.如权利要求2所述的数据测量处理方法，其特征在于直降滑雪的滑行速度的计算公式如下：

V＝

.

其中，V是直降滑雪的滑行速度，M是滑雪者的质量，m是滑板的质量，g为重力加速度，α为下滑雪道的倾角，μ为滑板在雪道上的滑动阻力系数，c是空气黏度，ρ为空气密度，s为滑雪者的迎风面积，S为滑雪者的位移。

4.如权利要求1所述的数据测量处理方法，其特征在于：

当测量到方位角在85～95度之间变化时，判断滑雪板面呈后刃推坡，此时，如果滑雪板面的翻滚角发生变化时，判断使用者在加速或减速，根据翻滚角的数值计算出虚拟人物的当前滑行速度及滑行轨迹；其中，当滑行速度减小到0时，实现刹车。

5.如权利要求4所述的数据测量处理方法，其特征在于后刃推坡的滑雪速度计算公式如下：

V＝

，

K＝（M＋m）g（sin（α-θ）-µcos（α-θ）-cos（α-θ）sinθ）；

其中，V是后刃推坡的滑雪速度，M是滑雪者的质量，m是滑板的质量，g为重力加速度，α为下滑雪道的倾角，θ为滑雪板与雪道间的夹角，μ为滑板在雪道上的滑动阻力系数，c是空气黏度，ρ为空气密度，s为滑雪者的迎风面积，S为滑雪者的位移。

6.如权利要求1所述的数据测量处理方法，其特征在于：

当测量到方位角在－5～5度之间或175～185度之间变化时，此时，如果测量到滑雪板面的翻滚角发生变化时，判断使用者在立刃转弯，根据翻滚角的数值计算出转弯方向、转弯半径、转弯角度和滑行轨迹。

7.如权利要求6所述的数据测量处理方法，其特征在于：

当判断使用者在立刃转弯时，计算转弯半径的公式如下：

r＝v²/（gcosαtanγ）

其中，v是滑雪速度，r是转弯半径，g为重力加速度，α为下滑雪面与水平面间的倾角，γ为滑板平面的翻滚角。

8.如权利要求1所述的数据测量处理方法，其特征在于：

当测量到方位角在±90度之间或90～270度之间变化时，判断滑雪板面在纵向到横向之间变化，此时，如果翻滚角在－5～5度之间变化时，判断使用者在搓雪转弯，根据方位角的数值计算出转弯方向、转弯半径、转弯角度和滑行轨迹。

9.如权利要求8所述的数据测量处理方法，其特征在于：

当判断使用者在搓雪转弯时，虚拟人物的转弯角度等于滑板平面的方位角。

10.一种面向单板滑雪模拟的测量互动设备，用于实施权利要求1～9中任意一项所述的数据测量处理方法，其特征在于包括角度检测单元、控制单元、数据处理单元和图像输出单元，其中：

所述角度检测单元，用于检测滑雪板面的方位角、仰俯角、翻滚角、方位角速度、仰俯角速度、翻滚角速度、方位角加速度、仰俯角加速度、翻滚角加速度等参数中的至少一种；

所述控制单元，与所述角度检测单元连接，并通过有线或无线的方式与所述数据处理单元进行数据交互；所述控制单元实时将所述角度检测单元所检测到的角度数据传送到所述数据处理单元；

所述数据处理单元，用于根据预定的程序生成单板滑雪模拟场景，并根据接收到的角度数据判断使用者的动作，计算出虚拟人物的滑行速度、方向和轨迹，并更新单板滑雪模拟场景中的虚拟人物的动作和轨迹；

所述图像输出单元，与所述数据处理单元相连接，用于对外输出单板滑雪模拟场景的画面。

11.如权利要求10所述的测量互动设备，其特征在于：

所述测量互动设备还包括动作执行单元；所述动作执行单元包括用于实现滑雪板面的角度变化和/或上下移动的液压缸、气缸或电动缸，用于根据单板滑雪模拟场景中雪地的倾斜角度和/或颠簸情况改变所述滑雪板面的角度和/或颠簸，模拟虚拟雪地的倾斜角度和/或颠簸状态。

12.如权利要求10所述的测量互动设备，其特征在于还包括多个动作执行单元和连接件；

滑雪模拟台的支撑框架固定设置在水平面上，多个所述动作执行单元的一端分别固定到所述支撑框架上，另一端连接到所述连接件上；所述滑雪模拟台的第一支撑件和所述连接件通过支撑弹簧连接；

所述角度检测单元和所述控制单元固定到所述滑雪模拟台的第二支撑件上；

在所述连接件的四周设置有多个所述动作执行单元的控制器，所述控制器通过有线或无线的方式与所述控制单元连接。

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