CN1672755A - 数字化球类体育运动 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数字化足球、篮球、排球、橄榄球、乒乓球、羽毛球、网球等等。本发明在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所述球的精确位置，以此来提高训练质量和比赛裁判的质量。

Description

数字化球类体育运动

技术领域

本发明涉及数字化球类体育运动(如足球、排球、篮球、橄榄球、网球、羽毛球、乒乓球等等)、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，在比赛的时候大多是靠裁判的主观判断来判定足球有没有出界，难免会出现差错；足球运动员传球经常会出现传球不到位的现象；定位球、角球的质量也不高。如果能在平时训练中有针对性地进行定点传球训练，并能自动统计传球的准确性和记录足球的飞行轨迹，相信会大大提高足球运动员传球的准确性、发定位球和角球的质量；在比赛时如果能够自动判断有没有出界或者进球，则会进一步体现体育运动追求公平竞争的精神，这些都会大大提高球类体育运动的观赏性。

近年来射频识别技术和无线定位技术都获得了极为迅速的发展。

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 Of Arrive，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：

一个在其内部固定了一个或者多个、有源或者无源的射频卡的足球；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。

足球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的射频信号，足球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；主控计算机接收足球射频卡发射的信号，识别出足球射频卡的编码信息；同时主控计算机通过无线定位技术计算出足球的位置。由于足球内的射频卡的序列号是唯一的，实际比赛和训练时便可以区分出不同的足球的位置。

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。足球比赛时的球速一般在20m/s，所以定位精度将会小于0.02米。

足球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；不同足球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。在比赛或者训练结束以后，也可以给足球射频卡发出指令，使他重新处于睡眠状态——即省电模式，以延长足球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足球射频卡发射不同频率的无线电波。

足球射频卡要放置在足球的内部，这样在比赛或者训练时不会损坏足球射频卡。足球内部可以放置一个或者多个射频卡。如果只放置一个射频卡，就要将射频卡用柔性(弹性)支撑固定在球心的位置。也可以放置多个射频卡，例如放置4个射频卡时，使这4个射频卡分别固定在(粘贴在)足球的内表面上，而且这4个射频卡两两之间的距离是相等的，也就是固定在足球内接正四面体的顶点上。这样通过无线定位技术计算出这4个射频卡的位置，便可以精确地确定球心的位置，在比赛的时候便可以方便地判断出是否进球、是否出界。也可以在足球内接正方体的8个顶点上放置8个射频卡。在足球内部放置多个射频卡可以准确地计算出球心的位置，通过计算能够消除足球运动员踢球时引起的足球形变的问题，准确地判断出球心的位置。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。根据国际足联的规定，圆形足球的圆周不长于70厘米、不少于68厘米；重量在比赛开始时不多于450克、不少于410克。可见在足球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球心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是在球心处安装一个射频卡的结构示意图；

图2是在足球场周围安装4个定位天线的示意图；

图3是4个定位天线时的系统结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，在足球的中心安装了一个射频卡100，他通过4个到足球内表面的支撑(弹性支撑或者柔性支撑或者其它替代品)固定在足球的球心处。他不断地发射出射频信号。另外，也可以在足球内接正四面体的顶角处放置4个射频卡；或者在足球内表面按照一定规则粘接多个射频卡。

如图2所示，在足球场的周围安装了4个定位天线210、220、230、240，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300根据4个定位天线210、220、230、240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)基于足球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足球的位置，然后将位置发送到控制计算机或者记录下来。

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，所有在球类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、一种数字化的球类体育运动系统，包括一个或者多个能够发射无线电波的球、以及无线定位装置，该无线定位装置能够确定所述球的位置和飞行轨迹。

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、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3所述的体育运动系统，其特征在于所述射频卡固定在球心或者球内的固定位置。

5、如权利要求1搜数的体育运动系统，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球的位置和飞行轨迹。

6、如权利要求5所述的体育运动系统，其特征在于所述定位装置包括三个或者三个以上的定位天线。

7、如权利要求5所述的体育运动系统，其特征在于所述定位系统包括基于所述球的自定位系统和基于外部控制设备的定位系统。

8、如权利要求5所述的体育运动系统，其特征在于所述无线定位装置使用了基于信号方向的定位技术、基于信号功率的定位技术、以及基于信号传播时间特性的定位技术中的一种或者多种。

9、一种球类体育运动的比赛和训练方法，包括：一个或者多个能够发射无线电波的球，无线定位装置采用无线定位技术确定所述球的位置和飞行轨迹。

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、篮球、排球、橄榄球、网球、羽毛球中的一种。