CN1672605A - 数字化球衣 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数字化球衣。本发明在体育场地的周围设置三个或者三个以上的定位天线，运用无线定位技术确定每个运动员所处的精确位置，以此判断运动员是否越位；另外球衣中也有压力传感器，从而判断运动员是否踢人、铲人或者假摔，来提高比赛时裁判判决的质量。

Description

数字化球衣

技术领域

本发明涉及数字化球衣(如足球、垒球、棒球等等的球衣)、传感器、非接触集成电路卡的识别技术(Radio Frequency Identification，即射频识别技术)、以及无线定位技术。

背景技术

现在的足球运动，在足球比赛的时候大多是靠裁判的主观判断来判定球员有没有越位、或者球员的动作有没有犯规(如踢人、铲人)、有没有假摔等等，难免会出现差错。如果能在球衣中放置一些定位装置，在比赛中主控计算机能够随时随地确定每个球员的位置，便可以准确地判断足球运动员有没有越位、或者棒球(垒球)运动员是否跑垒成功。如果在球衣中安装一些压力感应装置，并实时地将感应到的压力传递到主控计算机，便可以有效地判断球员有没有踢人、铲人、或者是假摔，这些都会进一步体现体育运动追求公平竞争的精神，从而大大提高球类体育运动的观赏性。

近年来射频识别技术、无线定位技术、薄膜型的压电材料或者传感器都获得了极为迅速的发展。

近年来薄膜型的压电材料或者柔性传感器也取得了巨大的进展。中国专利95216264.4描述了一种聚偏氟乙烯(PVDF)压电膜医用多功能柔性传感器，美国专利4,443,730也介绍了一种柔性的压电装置。

市场上已有的压电薄膜传感器采用PVDF薄膜制成，具有频响宽、动态范围好、输出电压高、稳定性好、耐冲击、不易老化、高弹性、柔性好等优点。

半导体单晶硅材料在受到外力作用，产生肉眼根本察觉不到的极微小应变时，其原子结构内部的电子能级状态发生变化，从而导致其电阻率剧烈地变化，由其材料制成的电阻也就出现极大变化，这种物理效应叫压阻效应。利用压阻效应原理制成了集应力敏感与力电转换检测于一体的力学量传感器，称为固态压阻传感器。由于固态压阻压力传感器的感受、敏感转换、和检测三部分由同一个元件实现，所以灵敏度高、精度高、体积小、重量轻、可靠性高、温度系数小、适应介质广。

1994年，意大利比萨大学工程专家德.罗西根据人类皮肤有表皮和真皮(外层和内层)组织的特点，为机器人制造了一种由外层和内层构成的人造皮肤，这种皮肤不仅富有弹性，厚度也和真的皮肤差不多，为了使人造皮肤能够“感知”物体表面的质感细节，德.罗西德研究小组还研制了一种特殊的表皮，这种表皮由两层橡胶薄膜组成，然后在两层橡胶薄膜之间到处放置只有针尖大小的传感器，这些传感器是由压电陶瓷制成的，在受到压力时，就产生电压，受压越大，产生的电压也就越大。

射频识别是一种非接触式的自动识别技术，他通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。射频识别系统由射频卡、读写器、和天线组成。读写器通过天线发射一定频率的射频信号，当射频卡进入电磁场时产生感应电流从而获得能量，发送出自身编码等信息被读写器读取并解码后送至电脑主机进行有关处理。射频卡分为主动式和被动式两种，主动式射频卡自身带有电池供电，读写距离较远。射频识别系统的工作频率基本上划分为3个范围：低频(30kHz——300kHz)、高频(3MHz——30MHz)、超高频(300MHz——3GHz)。通过使用防冲撞技术，射频识别系统可以同时处理多个射频卡，例如TI的13.56MHz系统每秒钟能处理大约50张射频卡。目前已经被ISO组织承认的非接触式IC卡(射频卡)的标准有：飞利浦公司所倡导的ISO/IEC14443 TYPE A；摩托罗拉公司为主所倡导的ISO/IEC14443TYPE B；除了这两个标准，在ISO组织登记备案的非接触式IC卡的技术标准还有TYPE C、TYPE D、TYPE E、TYPE F等等，他们实际上在工业界已被采纳。中国专利申请ZL01207882.4和ZL01260085.7描述了一种带电源的非接触式IC卡。

无线定位系统有以下两类定位系统：(1)基于移动台的定位系统——也称为移动台自定位系统，在蜂窝网络中也叫做前向链路定位系统。移动台根据接收到的多个已知位置发射机发射信号携带的某种与移动台位置有关的特征信息来确定其与各发射机之间的几何位置关系，再根据有关算法对其自身位置进行定位估计，由移动台用户掌握其自身的位置信息。著名的GPS系统即属于这类系统。(2)基于网络的定位系统——在蜂窝网络中也叫做反向链路定位系统。其定位过程是由多个固定位置接收机同时检测移动台发射的信号，将从各接收信号携带的某种与移动台位置有关的特征信息送到一个信息处理中心进行处理，计算出移动台的估计位置。自动车辆定位(AVL)系统即属这类系统。

GPS的基本定位原理是：卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置，三维方向以及运动速度和时间信息。按定位方式，GPS定位分为单点定位和相对定位(差分定位)。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。相对定位(差分定位)是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。

无线蜂窝网络定位技术主要是由基站(BS)主导的定位技术，包括：测量信号方向(信号的到达角度，简称AOA)的定位技术、测量信号功率的定位技术、测量信号传播时间特性(到达时间，简称TOA；到达时间差，简称TDOA)的定位技术。为了提高定位的精度，也可以采用利用采用上面数种技术的组合。

测量接收信号功率的定位技术是依据接收到的无线信号的功率是来实现无线定位的一种常用的方法。通过测量基站(BS)收到的来自移动站(MS)的信号功率，以及它们之间无线信道的传输模型，可以估计出移动站到基站的大致距离为d。这样对一个基站BS(i)来讲，移动站必处于以BS(i)为圆心，d为半径的圆上。当采用三个或三个以上的基站对同一个移动站进行测距时，即可以测得该移动站的所在位置。在实际应用的CDMA系统中，为了减小近距离用户对远距用户的干扰，必须要采用功率控制技术，在一些TDMA系统中，为了减小移动站(MS)的功耗也应用了功率控制。

测量接收信号方向(AOA)的定位技术是测量信号的到达角度(Angle OfArrive，简称AOA)也是一种在蜂窝网中常用的定位技术。这种方法需要在基站采用专门的天线阵列来测量特定信号的来源方向。对于一个基站来讲，AOA测量可以得出特定移动站所在方向，当两个基站同时测量同一移动站所发出的信号时，两个基站各自测量AOA所得的方向直线的焦点就是移动站所在的位置。

测量信号传播时间特性的定位技术是通过测量基站到移动站之间射频信号传输时间特性来实现的。这类定位技术能够提供更高的定位精度，因而在实际中应用得最广泛。它主要有两种具体的实现手段。第一种是测量信号到达时间(TOA)，TOA是基于这样的原理：电波从发射机传播到接收机的距离与电波传播时间成正比。若电波从目标发射机到第i个固定位置接收机的传播时间为ti，电波传播速度为c，发射机的位置坐标为X0，y0，接收机位置坐标为xi，yi，则发射机必定处在以xi，yi为圆心，以cti为半径的圆上。在多个接收机上进行上述计算，则目标发射机的二维位置坐标可由三个以上圆的相交点确定。为了提高定位精度，参与同次定位的基站数目N一般都要大于3。另外对于每次测量的结果都要应用一些定位算法，使定位估计值在某种准则下达到误差最小。

另一种基于信号传输时间特性的定位方法是测量不同基站接收到同一移动站的定位信号的时间差(TDOA)，TDOA则是通过检测电波到达两个接收机的时间差，而不是由到达的绝对时间来确定移动台的位置。发射机必定位于以两个接收机为焦点的双曲线方程上，确定发射机的二维位置坐标需要建立两个以上双曲线方程，两双曲线的交点即为发射机的二维位置坐标。提高定位精度的主要途径也是通过增加参与定位的基站数目和采用高精度的估计算法。

基于时间的定位法要求基站接收机从接收到的射频信号中提取准确的TOA或TDOA估计值。在蜂窝系统中可用于获得TOA或TDOA估计值的方法有相位测距法、脉冲测距法和扩频测距法，在CDMA蜂容系统中通常采用扩频测距法。基于时间的定位法如果直接利用TOA或TDOA估计值求解上述非线性的定位圆或定位双曲线方程组来确定移动台的位置通常比较困难，在有一定时间测量误差时由于各定位圆或定位双曲线可能没有交点而不能进行正常定位。在实际应用中通常采用所谓最小平方(LS)误差算法。该算法通过使非线性误差函数的平方和函数取得最小值这一非线性最优化过程来估计移动台的位置。有多种递归算法可以进行求解，可根据具体应用灵活选择。

发明内容

在下面的发明描述中本发明以足球为例，但需要说明的是，本发明的保护范围并不局限于足球，他的保护范围可以扩展到垒球、棒球、排球、篮球、橄榄球、网球、羽毛球、乒乓球等等。

本发明的目的是使球类体育运动的比赛和训练数字化。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

在球衣内部固定了多个有源或者无源的射频卡；一个在场地周围布置了三个或者三个以上定位天线的足球场；和定位天线相连的主控计算装置，主控计算机能够根据收到的射频卡信息实时计算出场上每个运动员在场地上的位置，以此来判定球员有没有越位。需要说明的是，球衣既可以是现在运动员场上穿的那种T恤、短裤，也可以为了准确定位而戴的帽子、护膝、绑腿、鞋(在这些帽子、护膝、绑腿、鞋等之内都放置了有源或者无源的射频卡)等。球衣也可以像太空服哪种从头包到脚，当然厚度要比太空服薄得多，在球衣中多处放置薄膜型射频卡，从而准确确定运动员身体各部位的位置，准确判断有没有越位、有没有手球等等。

也可以在球衣内部到处都布置上传感器，例如可以是1平方厘米的正方形PVDF薄膜传感器，当某个传感器受到外力时，传感器产生电信号，外力越大，产生的电信号越大，这些电信号通过导线传递到球衣的控制计算机处，然后通过无线方式发射给主控计算机。主控计算机收到无线信号，自动恢复出这个传感器所受到的外力是多少，进而根据球员的位置、传感器的位置、受到的外力大小计算出球员有没有踢人、或者是有没有假摔等等。另一种方式是每个传感器都将受到的外力大小、自身(这个传感器)的编码等数据直接通过无线方式发给主控计算机，由主控计算机根据这个传感器的位置、受到外力的大小来进行判断。

球衣内部的射频卡可以是一般常用的非接触式IC卡，非接触式IC卡的序列号是唯一的，制造厂家在产品出厂前已将此序列号固化，非接触式IC卡与读写器之间采用双向验证机制，即读写器验证IC卡的合法性，同时IC卡验证读写器的合法性。

主控计算机(读写器)通过定位天线发射一定频率或者一定编码的射频信号，球衣内部的射频卡受射频信号激发作出响应，发送出自身编码等信息；主控计算机接收球衣射频卡发射的信号，识别出球衣射频卡的编码信息；同时主控计算机通过无线定位技术计算出球衣中每个射频卡的位置。由于球衣内的每个射频卡的序列号是唯一的，所以在实际比赛和训练时便可以准确定位每个球员的位置。

由于主控计算机只要求读出射频卡的编码信息，射频卡只要发送出自己的序列号即可，而不会对射频卡进行写操作或者其他操作，操作简单，所以响应时间短，响应时间小于1毫秒。球员最快的运动速度在10m/s，所以定位精度将会小于0.01米。

球衣射频卡也可以采用有源射频卡，平时处于睡眠状态。在比赛前或者训练前通过主控计算机激活射频卡，使他连续不断地发射一定频率(fl)的射频信号；球衣中不同射频卡所发射的射频信号是不同的，这些射频信号频率之间的间隔例如可以是1KHz或者5KHz。这样在比赛时主控计算机能够区分比赛用球和备用球的位置，类似于通信技术中的频分多址。也可以类似于通信技术中的码分多址，使不同的射频卡发射不同编码的射频信号，利用编码信号来区分不同的射频卡。在比赛或者训练结束以后，也可以给球衣射频卡发出指令，使他重新处于睡眠状态——即省电模式，以延长球衣射频卡的使用寿命并减少无线电干扰。主控计算机也可以通过给射频卡写入不同的数据来控制球衣射频卡发射不同频率或者不同编码的无线电波。

球衣射频卡要放置在球衣的内部，这样在比赛或者训练时不会损坏射频卡。球衣内部要放置多个射频卡。例如在头部的前后左右放置4个射频卡，在双手、双肩、双肘分别放置6个射频卡，在胸部的前后左右分别放置4个射频卡，在臀部放置2个射频卡，在腹部放置2个射频卡，在髋部外侧放置2个射频卡，在两个大腿前后分别放置4个射频卡，在双膝的前后分别放置4个射频卡，在两个小腿的前后分别放置4个射频卡，在双脚的前后分别放置4个射频卡，这样通过无线定位技术计算出这36个射频卡的位置，便可以精确地确定运动员的位置，在比赛的时候便可以方便地判断出是否越位、是否手球等等。也可以在球衣内放置更多的射频卡，以准确地计算出运动员身体各部分的位置。射频卡的体积一般很小，例如一种射频卡的体积大小为4mm×8mm×1mm，相信随着技术的发展，射频卡的体积将越来越小。而射频卡一般都采用PVC、ABS封装，重量很轻。可见在球衣内部放置多个射频卡是可行的。

将来随着技术的发展，射频卡的响应时间会越来越短，无线定位技术的精度也必将越来越高；相信将来足球内部可以放置的射频卡数目会越来越多，通过无线定位技术计算出的运动员的位置也必将越来越准确。

在此值得强调的是，本说明书虽然以足球为例，但本发明的适用范围并不局限于足球，也可以扩展到垒球、棒球、篮球、排球、橄榄球、乒乓球、网球、羽毛球的训练和比赛当中。

附图说明

图1是在足球场周围安装4个定位天线的示意图。

具体实施方式

例如头部的前后左右放置4个射频卡，在双手、双肩、双肘分别放置6个射频卡，在胸部的前后左右分别放置4个射频卡，在臀部放置2个射频卡，在腹部放置2个射频卡，在髋部外侧放置2个射频卡，在两个大腿前后分别放置4个射频卡，在双膝的前后分别放置4个射频卡，在两个小腿的前后分别放置4个射频卡，在双脚的前后分别放置4个射频卡，这样通过无线定位技术计算出这36个射频卡的位置，便可以精确地确定每个运动员身体各部分的位置，这样在比赛的时候便可以方便地判断出是否越位、是否手球等等。

如图1所示，在足球场的周围安装了4个定位天线110、120、130、140，这些定位天线可以安装在看台的下面或者悬挂在高处。这四个天线首先定位出足球场的边线、球门线、底线等等的位置，使主控计算机能够首先确定体育场的位置。有两种定位方式来确定足球的位置：

(1)基于外部控制设备的定位系统中的主控计算机根据4个定位天线110、120、130、140接收的射频信号的时间差，采用TDOA算法计算出足球的位置。

(2)基于球衣的自定位系统中的足球射频卡也可以接收四个定位天线发射的射频信号，由于安装这些定位天线的位置是已知的，所以足球内的射频卡可以根据收到的射频信号、以及这些定位天线的位置计算出球衣内每个射频卡的位置，然后将位置发送到控制计算机或者记录下来。

另外，在球衣里面可以到处布置微型传感器，例如是1厘米见方的PVDF薄膜型压力传感器，每个传感器上具有一个与其他传感器相区别的独一无二的编码。这样，当一个足球运动员犯规踢人时，被踢运动员的被踢部位的一个或者多个传感器就会产生电信号，这些电信号和传感器的编码信号通过球衣上的无线装置发送到主控计算机，主控计算机通过判断接收到的电信号的大小就可以判断出被踢运动员的被踢身体部位所受外力的大小，根据外力的大小就可以判断出是否踢人、铲人、或者是假摔等等。

在此要强调的是，这只是本发明的一个实施例，本发明的保护范围并不局限于这个实施例，所有在球衣内部安装一个或者多个、有源或者无源的射频卡，以及在体育场地周围安装三个或者三个以上的定位用的发射接收天线都在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1、一种数字化的体育运动系统，包括一个或者多个穿着能够发射无线电波的球衣的运动员、以及球衣内的一个或者多个无线定位装置，该体育运动系统能够根据所述无线定位装置确定所述运动员的位置。

2、如权利要求1所述的体育运动系统，其特征在于所述球类是足球、垒球、棒球、篮球、排球、橄榄球、网球、羽毛球、乒乓球中的一种。

3、如权利要求1所述的体育运动系统，其特征在于所述球衣内包括一个或者多个有源或者无源的射频卡。

4、如权利要求1所述的体育运动系统，其特征在于所述无线定位装置使用无线定位技术确定所述运动员的位置。

5、一种球类体育运动的比赛和训练方法，包括：一个或者多个穿着能够发射无线电波的球衣的运动员，以及球衣内的一个或者多个无线定位装置，该体育运动系统能够根据所述无线定位装置采用无线定位技术确定所述运动员的位置。

6、如权利要求5所述的体育运动比赛和训练的方法，其特征在于所述球类是足球、垒球、棒球、篮球、排球、橄榄球、网球、羽毛球中的一种。

7、一种数字化的体育运动系统，包括一个或者多个穿着能够感应外部压力的球衣的运动员、球衣内的一个或者多个压力传感器、以及将感应的所述外部压力传递到主控计算机的无线通信装置，该主控计算机能够根据接收到的无线信号计算出所述运动员所受的外部压力。

8、如权利要求7所述的体育运动系统，其特征在于所述球类是足球、垒球、棒球、篮球、排球、橄榄球、网球、羽毛球、乒乓球中的一种。

9、一种球类体育运动的比赛和训练方法，包括：一个或者多个穿着能够感应外部压力的球衣的运动员、球衣内的一个或者多个压力传感器、以及将感应的所述外部压力传递到主控计算机的无线通信装置，该主控计算机能够根据接收到的无线信号计算出所述运动员所受的外部压力。

10、如权利要求9所述的体育运动比赛和训练的方法，其特征在于所述球类是足球、垒球、棒球、篮球、排球、橄榄球、网球、羽毛球中的一种。