CN1919388B - 运动装备中的运动传感器 - Google Patents

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Abstract

一种运动装备包括嵌入式光学传感器。嵌入式传感器包括图像阵列和导航引擎。导航引擎接收源自图像阵列的图像信息，并且执行关于图像信息的关联，以计算图像的重叠和确定图像之间的偏移，从而检测运动。

Description

运动装备中的运动传感器
技术领域
本发明涉及运动装备。
背景技术
在许多体育运动中，使用各种类型的装备。这些装备能够分成三大类。第一类装备包括用作控制权标志或符号的装备。该所有物标记的典型示例包括球或盘
第二类装备包括运动员的延伸部。这种运动员的延伸部的典型示例包括棍、棒或球拍。一个人作为运动员所获得的成功经常由熟练地使用延伸部和对延伸部和所有物的记号或符号之间的熟练的相互作用进行控制而决定。
第三类运动装备是监测体育运动的活动的装备。这包括诸如速度计、步程计和秒表等装备。
例如，在高尔夫球比赛中，高尔夫球手手持高尔夫球杆，挥动高尔夫球杆，通过撞击击打高尔夫球，使高尔夫球向期望的方向运动。当高尔夫球远离期望的洞目标时，例如，当高尔夫球手从发球区击打高尔夫球，经常需要高尔夫球手用高尔夫球杆以足够的力击打高尔夫球，以赋予高尔夫球很大的速度，同时还尽可能精确地控制高尔夫球最终飞行的方向和距离。包括在撞击时的高尔夫球杆速度、接触高尔夫球的杆面的位置和撞击时杆面相对于目标的方位的若干个因素，在确定最终高尔夫球的停靠位置方面有显著的影响。监测这些因素的能力在训练高尔夫球手有效地和精确地击打高尔夫球方面和在评估高尔夫球装备方面是重要的反馈。
高尔夫球有凹坑，但不仅仅是出于美学的目的。高尔夫球有凹坑主要是出于赋予高尔夫球的飞行所需的空气动力学品质的目的。例如，适当布置的凹坑允许高尔夫球对于给定的初始速度能够飞行最佳距离。在撞击时由高尔夫球杆赋予高尔夫球的高尔夫球的附加的旋转与空气动力相互作用，并且影响高尔夫球的飞行的高度、距离和方向。赋予高尔夫球所需旋转的能力对于在高尔夫球比赛中那些技术高超的人是很重要的能力。
当技术高超的高尔夫球手实践时，该高尔夫球手经常观察高尔夫球的飞行，以得到关于高尔夫球杆与高尔夫球的撞击状况的线索。此外，对于高尔夫球装备和高尔夫球挥动机制的非常专业的分析家，可以使用诸如高速速度计、测速枪、数码相机、高速频闪观测器和图像分析装备的附加的监测工具。如果正确地使用这些工具，这些工具能够提供关于高尔夫球的撞击和击发状况的附加信息。
就赋予球旋转是重要的体育运动来说，高尔夫球不是唯一的。事实上，对于任何涉及通过空气飞行的抛射体的体育运动，对旋转速度和飞行方向的控制是在竞赛中获得成功的非常重要的因素。例如，在棒球中，技术高超的棒球投球手能够赋予棒球特定类型的旋转。具有非均匀棒球表面的棒球的旋转与空气流的互相作用使得棒球的轨迹随着棒球从投球手的手里向棒球击球手附近运动而变化。投掷具有各种弯曲轨迹的棒球的能力通过控制棒球的旋转是可能的。因而，在投掷释放点处棒球上的实际旋转的反馈对于投球手是很有帮助的反馈。类似地，橄榄球、飞盘和其它类似运动装备的发射信息能够在设计、评估和运动装备的使用中非常有用。
发明内容
根据本发明的实施例，运动装备包括嵌入式光学传感器。嵌入式传感器包括图像阵列和导航引擎。导航引擎接收源自图像阵列的图像信息，执行关于图像信息的关联以计算图像的重叠，确定图像之间的移位，以检测运动。
附图说明
图1示出根据本发明一个实施例的嵌入在球中的光学运动传感器；
图2示出根据本发明一个实施例的光学运动传感器的简化方框图；
图3示出根据本发明另一个实施例的多光学运动传感器的简化方框图；
图4示出根据本发明一个实施例的嵌入在棒球球棒中的光学运动传感器；
图5示出根据本发明一个实施例的嵌入在高尔夫球杆头部的光学运动传感器；
图6示出根据本发明一个实施例的嵌入在橄榄球和诸如飞盘的飞行的盘中的光学运动传感器；
图7示出根据本发明一个实施例的训练站，该训练站用来获得和分析来自嵌入在运动装备中的光学传感器的信息；
图8示出根据本发明一个实施例的嵌入在带子中的光学运动传感器以形成用于检测执行者活动的运动装备。
具体实施方式
图1示出嵌入在球10中的光学检测运动传感器11、光学运动传感器12和光学运动传感器13。例如，球10是诸如棒球、高尔夫球或在比赛或运动时使用其他种球的运动装备。光学运动传感器11、12和13嵌入在球10中的位置，使得这些传感器指向正交的方向。这允许检测和监视球10的飞行方向和旋转。如果期望不是很完整的信息，则可以利用更少的光学运动传感器。如果需要冗余的信息，则可以使用附加的光学运动传感器。
图2是光学运动传感器的方框图。例如使用32×32的光电检测器阵列实施图像阵列。或者，可以使用其它阵列尺寸，这取决于针对特定的应用场合给出足够信息所需的图像分辨率。模拟数字转换器(ADC)22从图像阵列21接收信号并且将该信号转换成数字数据。
自动增益控制(AGC)23评估从ADC22接收的数字数据，并且控制图像阵列21内的增益调节和快门速度。这样做是为了例如防止由图像阵列21捕捉的图像的饱和或曝光不足。
导航引擎24评估来自ADC22的数字数据，并且执行关联以计算图像的重叠和确定图像之间的偏移以检测运动。例如，该关联使用诸如卷积的图像处理算法执行，或能够以其它的方式执行以检测图像偏移。导航引擎24确定置于输出25上的Δx，并且确定置于输出26上的Δy。图像阵列21、ADC22和导航引擎24一起形成跟踪球10运动的跟踪装置。
控制器28接收置于输出25上的Δx和置于输出26上Δy。控制器28通过收发器29向主机系统发送这些值的表示。置于输出25上的Δx和置于输出26上Δy的表示能够立即和连续地向主机系统传输，或者，可替换地，能够存储用于响应于来自主机系统的询问稍后的传输。
一般而言，注意，许多应用仅仅要求相当基本的图像。例如，位于旋转的高尔夫球的赤道大圆上的光学运动传感器通常将看见“天空”和“陆地”的交替图案。这种所检测到的图案的频率表示高尔夫球的旋转速度。由于这个原因，取决于特定的实施和应用，通常不需要先进的成像能力以获得所需的信息。
例如，现有的光学鼠标中的光学运动传感器技术能够直接适合于实施图像阵列21、ADC22、AGC23和导航引擎24。对于有关如何实施光学鼠标的标准功能或类似功能的进一步信息参见例如USPN 5,644,139、USPN5,578,813、USPN 5,786,804和/或USPN 6,281,212B1。
尽管在图2中，每一个光学运动传感器完全是独立的，但是，当在单件运动装备中实施一个以上光学运动传感器时，一些功能能够在光学传感器之间分享。
例如，图3是三个光学运动传感器的实施例的方框图。对于第一光学运动传感器，例如使用32×32光电检测器阵列实施图像阵列31。或者，可以使用其它阵列尺寸，这取决于针对特定的应用场合给出足够信息所需的图像分辨率。模拟数字转换器(ADC)32从图像阵列31接收模拟信号，并且将这些信号转换成数字数据。
自动增益控制(AGC)33评估从ADC32接收的数字数据，并且控制图像阵列31内的增益调节和快门速度。这样做是例如防止由图像阵列31捕捉的图像的饱或曝光不足。
导航引擎34评估来自ADC32的数字数据，并且执行关联以计算图像的重叠和确定图像之间的偏移以检测运动。导航引擎34确定置于通信路径35上的Δx和Δy。
对于第二光学运动传感器，例如使用32×32光电检测器阵列实施图像阵列41。或者，可以使用其它阵列尺寸，这取决于针对特定的应用场合给出足够信息所需的图像分辨率。模拟数字转换器(ADC)42从图像阵列41接收模拟信号，并且将这些信号转换成数字数据。
自动增益控制(AGC)43评估从ADC42接收的数字数据，并且控制图像阵列31内的增益调节和快门速度。这样做是例如防止由图像阵列41捕捉的图像的饱或曝光不足。
导航引擎44评估来自ADC42的数字数据，并且执行关联以计算图像的重叠和确定图像之间的偏移，以检测运动。导航引擎44确定置于通信路径45上的Δx和Δy。
对于第三光学运动传感器，例如使用32×32光电检测器阵列实施图像阵列51。或者，可以使用其它阵列尺寸，这取决于针对特定的应用场合给出足够信息所需的图像分辨率。模拟数字转换器(ADC)52从图像阵列51接收模拟信号，并且将这些信号转换成数字数据。
自动增益控制(AGC)53评估从ADC52接收的数字数据，控制图像阵列51内的增益调节和快门速度。这样做是例如防止由图像阵列51捕捉的图像的饱和或曝光不足。
导航引擎54评估来自ADC52的数字数据，并且执行关联以计算图像的重叠和确定图像之间的偏移，以检测运动。导航引擎54确定置于通信路径55上的Δx和Δy。
控制器38接收置于通信数据路径35、通信数据路径45、通信数据路径55上的Δx和Δy。例如，使用在运动装备内的导线实施通信数据路径35、45和55，其中光学运动传感器嵌入在该运动装备。或者，通信数据路径35、45和55使用无线技术实施。控制器38通过收发器向主机系统发送这些值的表示。对于每一个光学运动检测器的Δx和Δy值的表示能够立即和连续地传输，或者，可替换地，能够被存储用于响应于来自主机计算机系统的询问而稍后传输。
尽管图1示出嵌入在球中的光学运动传感器，但光学运动传感器还能够用在其它类型的运动装备中。
例如，图4示出嵌入在球棒60中的光学运动传感器61、光学运动传感器62和光学运动传感器63。例如，球棒60是一种用在棒球中的球棒。光学运动传感器61、62和63嵌入在球棒60的位置中，使得它们指向正交的方向。这允许检测和监视球棒60的飞行方向和旋转。如果需要不是很完整的信息，则可以利用更少光学运动传感器。如果需要冗余信息，则可以使用附加的光学运动。
例如，图5示出嵌入在高尔夫球杆头70底部的光学运动传感器71。单个光学运动传感器允许对杆头70的挥杆速度进行检测和监视。如果需要更完整的信息，则可以利用更多光学运动传感器。类似地，光学运动传感器能够嵌入在其它类型的球棒、运动球拍、划桨等。
图6示出嵌入在橄榄球93中的光学运动传感器91和光学运动传感器92。图6示出嵌入在飞盘95中的光学运动传感器97和光学运动传感器98。橄榄球93和飞盘95是其中能够嵌入光学监视器的许多类型的球和其它运动装备的示例。
光学运动传感器能够嵌入在其它类型的运动装备。例如，光学运动传感器能够安装在台球和/或台球杆中以检测接触的品质和/或滚动特性(诸如旋转或侧旋)。光学运动传感器还可以安装在诸如自行车轮、滑板轮或直排轮滑的轮子，以检测诸如轮子表面速度的运动特性。在轮子的情况下，嵌入式光学运动传感器能对速度进行绝对测量，而不需要为了将旋转速度转换成线性速度而精确地知道轮胎周长。
图7示出训练站，该训练站用于获得和分析来自嵌入在运动装备中的光学运动检测器的信息。例如，光学运动传感器嵌入在球81和/或棒82中。随着运动员80挥杆，光学传感器收集信息。例如，如果光学运动传感器适当地布置和定向在球81和杆82上，则光学运动传感器能够捕捉杆82和球81之间的撞击品质。光学运动传感器可以定位和定向，以便观察撞击品质，撞击品质包括在撞击时的实际速度、撞击发生在杆上的位置、刚好在撞击之前杆82的速度、刚好在撞击之后相对于杆82球81的速度、在撞击之前、期间和之后杆面相对于球81的方位等。
位于例如附近支架上的主机系统83收集和分析来自光学传感器的信息。例如，主机系统83是膝上型计算机或具有无线通信性能的个人数字辅助设备(PDA)。
运动装备还能够用来直接监视执行者的运动。例如，图8示出具有嵌入式光学传感器101、嵌入式光学传感器102和嵌入式光学传感器103的带子100。带子100设计成将光学传感器直接连于执行者，以监视执行者的活动。例如，带子100的尺寸可以为连于执行者的腰部、脚、腿、臂腕、前额、胸、颈等。如果需要附加的反馈，则可以使用多条带子。类似地，光学传感器可以嵌入在执行者的制服或其它衣服或珠宝中，因而出于获得关于执行者运动的反馈的目的而直接连于执行者。
例如，各种光学传感器能够连于执行者(例如，体操运动员、溜冰者、奔跑者、驾驶员、跳舞的人、演员、演说者、歌手或其它类型的执行者)以在训练或执行过程中跟踪一个或多个肢体部分的运动。执行者能够是人，但也可以是其它类型的动物，例如，是为马术比赛训练的马或为竞赛或展览训练的狗。
除了给出执行反馈，光学传感器能够用于其它目的。例如，光学传感器能够连于警报系统以向执行者提供即时反馈和/或警告。例如，反馈可以表示骑手没有以足够的速度跨越障碍，跳远运动员没有以最佳速度使跳远距离最大化或者铅球运动员没有以最佳旋转速度旋转以使投掷距离最大化。
前面论述仅仅公开和描述本发明示例性方法和实施例。如由所属领域的技术人员理解到，本发明可以以其它具体的形式体现而不脱离其精神或基本特征。因此，本发明的公开是对本发明范围的示例的而不是限制，本发明的范围在权利要求书中阐述。

Claims (10)

1.一种运动装备，用作控制权的标志或符号，包括嵌入在所述运动装备中的光学传感器，所述光学传感器包括：
图像阵列；
导航引擎，所述导航引擎接收源自所述图像阵列的图像信息，执行关于所述图像信息的关联，以计算图像的重叠和确定图像之间的偏移，以检测运动；
模拟数字转换器，所述转换器接收来自所述图像阵列的模拟信号，并且将所述信号转换成数字数据；以及
自动增益控制，所述自动增益控制评估从模拟数字转换器接收的数字数据，并且控制所述图像阵列内的增益调节和快门速度。
2.根据权利要求1所述的运动装备，其中，所述运动装备包括：嵌入在所述运动装备内的至少一个附加光学传感器。
3.根据权利要求1所述的运动装备，其中，所述运动装备是大致圆的球，包括：嵌入在所述运动装备内的两个附加的光学传感器，并且嵌入在所述运动装备内的每一个光学传感器所朝向的方向与嵌入在所述运动装备内的其它光学传感器正交。
4.根据权利要求1所述的运动装备，其中，所述运动装备是下列中之一：高尔夫球；棒球；橄榄球；飞盘；台球。
5.根据权利要求1所述的运动装备，其中，所述光学传感器还包括：控制器，所述控制器接收来自导航引擎的运动检测信息，向主机系统发送来自所述导航引擎的所述运动检测信息的表示。
6.根据权利要求1所述的运动装备，其中，所述运动装备还包括：
嵌入在所述运动装备中的至少一个附加的光学传感器；
控制器，所述控制器接收来自所述光学传感器和所述至少一个附加的光学传感器的运动检测信息，向主机系统发送所述运动检测信息的表示。
7.一种用于从运动装备获得运动信息的方法，所述运动装备用作控制权的标志或符号，所述方法包括：
a)将光学传感器嵌入在所述运动装备中，所述光学传感器包括：
图像阵列；
导航引擎，所述导航引擎接收源自所述图像阵列的图像信息，并且执行关于所述图像信息的关联，以计算图像的重叠和确定图像之间的偏移，从而检测运动；
模拟数字转换器，所述转换器接收来自所述图像阵列的模拟信号，并且将所述信号转换成数字数据；
自动增益控制，所述自动增益控制评估从模拟数字转换器接收的数字数据，并且控制所述图像阵列内的增益调节和快门速度，以及
b)收集和评估来自所述嵌入式光学传感器的信息。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括：
将至少一个附加光学传感器嵌入在所述运动装备内；
收集和评估来自所述至少一个附加的嵌入式光学传感器的信息。
9.根据权利要求7所述的方法，还包括：
将两个附加的光学传感器嵌入在所述运动装备内，使得嵌入在所述运动装备内的每一个光学传感器朝向的方向与嵌入在所述运动装备中的其它光学传感器正交。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，关于所述图像信息的所述关联使用卷积执行。
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