CN205549474U - 高尔夫多传感器综合训练系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高尔夫多传感器综合训练系统，包括传感器系统、数据分析系统和视觉呈现系统，所述传感器系统包括惯性传感器、运动捕捉传感器和压力传感器，所述数据分析系统包括处理器，所述处理器与所述传感器系统相通讯，所述处理器与所述视觉呈现系统相通讯。本实用新型利用多种传感器技术同时测量身体动作、脚部压力、杆头轨迹和球轨迹，提供身体动作、杆头轨迹和球轨迹的同步分析，建立身体动作、双脚压力、杆头轨迹、球轨迹的联系，并予以视觉呈现。

Description

高尔夫多传感器综合训练系统

技术领域

本实用新型属于体育训练和娱乐设备技术领域，特别涉及一种高尔夫多传感器综合训练系统。

背景技术

在高尔夫运动中，一个高质量的击球基于球员的身体动作施力情况。然而，作为一个球员，甚至是一个专业的教练，捕捉每一个细节的动作是不可能的，施力情况更是无法掌握。许多微妙的错误可能只是错过，这将阻碍高尔夫技巧的提高。在肌肉记忆形成后，改变动作更加困难。人体击球动作直接反映在对于球杆的掌握上，而球杆对于球的作用效果则主要体现在杆头飞行过程，因为杆头才是最终和球撞击的区域。然而，一次挥杆过程中，杆头飞速的速度很快，杆头轨迹无法被人眼有效捕捉。球的飞行轨迹则是一次高质量击球的最终结果，然而，球的速度快、飞行速度远，无法肉眼观察其轨迹细节。

为了解决上述问题，已有的高尔夫系统解决方案如下：

基于摄像机系统，人体的姿态可通过图像进行分析。然而精确的速度和加速度特征无法通过该解决方案获得，另外，图像处理非常费时，会产生较大的系统延时，无法给予即时反馈，同时，该系统也无法给予压力和受力的信息。

基于惯性传感器技术在表带和衣服上连接有传感器测量其位置、速度等信息，通过节点位置推测人体姿态。然而只采集局部点的数据，并不能给出完整的人体姿态，也无法用于建立一个包括球员身高等信息在内的精确人体模型，因而不可能实现对于球员表现的精确评估。

基于压力膜片传感器技术，提供了一个软垫用于测量双脚对于软垫的力的范围和大小趋势，因为力在软垫中被分散开，测点得到的测量数据仅反映了真实压力的一部分，完整的压力数值并不能通过压力膜片技术测得，而精确的压力数据对于建立人体肌肉和关节的分析和受伤预防非常重要。

基于声纳技术，可以实现对于球的远距追踪。该技术提供了球的空间信息，但无法提供球员的人体信息。

基于通过摄像机系统或红外设备采集得的球和球杆的数据，一种高尔夫模拟器系统可用于计算球轨迹并在幕布上提供球场模拟和球飞行动画。但该类系统主要用于娱乐用途，缺乏了对于人体的分析，并不适合于高尔夫训练及教学。

以上方案从不同角度分析高尔夫运动，对高尔夫训练起到了很大的帮助，但如之前所言，高质量的高尔夫挥杆基于正确身体动作，反映于良好的杆头轨迹，直接表现于漂亮的球轨迹。但以上方案均基于一至两种测量技术，并不能同时完善地检测身体动作、杆头轨迹和球轨迹。即使是在训练中同时采用了以上多种方案，也缺乏将身体动作、脚部压力、杆头轨迹、球轨迹联系起来的手段。到时用户可能同时打开三个分别反映人体姿态、脚部受力、球飞行距离的3D图像软件而无从下手。有经验的用户或许能根据这三个软件的联合使用更正自己的动作，但无法避免一些相互关联的细节被丢失。

实用新型内容

本实用新型的目的就在于克服现有技术的不足，提供了一种高尔夫多传感器综合训练系统，为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：

本实用新型提供的一种高尔夫多传感器综合训练系统，包括传感器系统、数据分析系统和视觉呈现系统，所述传感器系统包括惯性传感器、运动捕捉传感器和压力传感器，所述数据分析系统包括处理器，所述处理器与所述传感器系统相通讯，所述处理器从所述传感器系统接受数据，同步数据并处理数据，生成人体3D模型，脚部压力曲线，高尔夫球杆轨迹和高尔夫球飞行轨迹，所述处理器与所述视觉呈现系统相通讯，所述视觉呈现系统用于数据的显示和分析过程的视觉呈现。所述视觉呈现系统包括：(1)集成显示一次挥杆过程中的人体3D模型、双脚压力、球杆轨迹和球轨迹；(2)实现通过球飞行轨迹追溯球杆轨迹，由球杆轨迹追溯人体模型和双脚压力的分析；(3)提供同一时间坐标下人体3D模型、双脚压力、球杆轨迹的数据。

进一步的，所述运动捕捉传感器包括红外传感器和/或摄像机系统，所述红外传感器和/或所述摄像机系统用于捕捉球和球杆的运动情况。

进一步的，所述传感器系统还包括3D深度摄像机，所述3D深度摄像机用于捕捉挥杆过程中的人体运动和姿态。

进一步的，所述惯性传感器用于测量人体的运动和球杆杆头的轨迹；所述运动捕捉传感器用于测量球杆的飞行轨迹、球的飞行速度、球的初始角、球杆的击球角度、球杆的击球速度、球杆杆面朝向；所述压力传感器用于测量脚和地面的接触区域、双脚对地面的压力和双脚的旋转情况。

进一步的，所述摄像机系统包括两个左侧的摄像机和两个右侧的摄像机，两个左侧的摄像机和两个右侧的摄像机集成在可拆卸模块上。

进一步的，所述惯性传感器包括用于测量杆头九轴信息的运动传感器，所述运动传感器设置在人体的肩部、髋部、腕部以及球杆杆头，所述运动传感器包括加速度计、陀螺仪和磁力计，所述运动传感器通过无线传输协议传输数据至所述处理器。

进一步的，所述运动传感器设置于球杆杆头的位置包括如下：(1)所述运动传感器设置在靠近杆头的球杆上；(2)所述运动传感器粘贴在杆头击球面的背面；(3)所述运动传感器设置在杆头内部，所述运动传感器与附在杆头处的天线相连接，或者所述运动传感器与杆头的金属外壳相连接作为天线。

进一步的，所述红外传感器包括第一组红外传感器和第二组红外传感器，所述第一组红外传感器包括第一组红外发射装置，所述第一组红外发射装置发射的红外光被第一组红外接收区接收，所述第一组红外传感器包括第二组红外发射装置，所述第二组红外发射装置发射的红外光被第二组红外接收区接收，所述第一组红外发射装置发射至所述第一组红外接收区的红外光被阻塞时，所述第一组红外传感器将位置信息发送至所述处理器，所述第二组红外发射装置发射至所述第二组红外接收区的红外光被阻塞时，所述第二组红外传感器将位置信息发送至所述处理器，所述第一组红外传感器和第二组红外传感器从不同角度检测球和球杆的空间位置。

其中所述第一组红外接收区的检测区域分为球轨迹检测区、球杆轨迹检测区、球杆就位检测区和球就位检测区；所述第二组红外接收区的检测区域分为球轨迹检测区和球杆轨迹检测区。

进一步的，所述压力传感器包括膜片式压力传感器和称重式压力传感器，所述膜片式压力传感器和称重式压力传感器通过机械连接结构连接，所述膜片式压力传感器用于测量压力的分布情况和大小，所述称重式压力传感器用于压力的精 准测量。

进一步的，所述称重式压力传感器采用压力应变片，所述膜片式压力传感器采用集成若干膜片传感器的膜片，所述压力传感器由数个压力传感器模块组成，所述压力传感器模块包括四个所述压力应变片和一个所述集成若干膜片传感器的膜片，所述压力传感器模块之间相互连接以获得连续测量区域，所述处理器通过取址的方式对所述压力传感器模块进行数据读取。

称重式压力传感器，用于测量压力的绝对大小，在其中称重式压力传感器作为整个压力传感器的支撑结构。

膜片式压力传感器，用于测量脚部轮廓和压力相对分布，在其中膜片式压力传感器分布于压力传感器的上表面以提供直接的压力测点。一层软质材料可能覆盖于膜片式压力传感器的上方，在不改变压力分布的前提下对膜片式压力传感器提供保护和封装。

称重式压力传感器和膜片式压力传感器之间的机械连接结构，在其中机械连接结构为膜片式压力传感器提供一个合适的放置面和为称重式压力传感器提供一个合适的连接结构使压力完全传递至称重式压力传感器。

封装的外壳，外壳将四个压力应变片限定在四个角上，在其中外壳对称重式压力传感器和膜片式压力传感器提供保护与水平方向上的限位，同时提供了不同压力传感器模块之间的机械连接结构。

其中压力传感器具有模块化，可扩展的特点。压力传感器模块之间可以互相连接提供一个连续大范围的测量区域，处理器通过取址的方式对压力传感器模块的数据进行读取。

膜片压力传感器采用集成化膜片以提供一定面积的压力测量：

(1)膜片上分布有多个膜片传感器测点，每个测点都相当于一个实际上提供测量功能的膜片传感器；

(2)膜片上集成了电路，最终提供了一个排线作为接口；

(3)膜片部分位置被挖空为传感器间连接结构留出空间。

称重式压力传感器采用压力应变片，四个压力应变片分布于压力传感器模块的四个角上为膜片传感器和机械连接结构提供支撑。

机械连接结构包括硬质板和软质垫。硬质板提供一个平面放置集成膜片，并 由四个压力应变片支撑；软质垫覆盖于膜片之上，使膜片位于硬质板和软质垫之间，使膜片得到固定和保护，另外，脚的压力通过软质垫传递至膜片；硬质垫和软质垫通过常见机械结构连接，例如螺栓，该连接结构对膜片起到了水平方向上的限位作用。

进一步的，所述视觉呈现系统包括显示屏和投影屏幕，所述显示屏和投影屏幕的显示内容可以交换，所述显示屏和投影屏幕可以显示同一图像及数据或在同一时刻显示不同的图像及数据。

进一步的，所述显示屏包括展示人体3D模型、球员的击球过程、高尔夫球杆的轨迹、高尔夫球的飞行轨迹，所述投影屏幕包括显示一个模拟的球场、表现球在模拟球场中的飞行轨迹。

进一步的，所述视觉呈现系统包括同时呈现人体3D模型、脚部压力曲线、高尔夫球杆轨迹和高尔夫球飞行轨迹的图像，同时呈现人体3D模型、脚部压力曲线、高尔夫球杆轨迹和高尔夫球飞行轨迹的数据变化。

进一步的，所述视觉呈现系统还包括视觉呈现设备，所述视觉呈现设备包括在球员挥杆后提示球员的错误，所述处理器采集人体姿态的数据，所述处理器根据采集的数据计算人体3D模型，所述处理器将人体3D模型与正确的模型相比较，所述视觉呈现设备提示人体挥杆过程中错误的身体姿势。

进一步的，所述视觉呈现设备包括在同一时间坐标下，同时显示人体3D模型和球杆轨迹的图像及相关数据随时间的变化，所述视觉呈现设备显示时间轴，所述时间轴会提示关键的时间点，通过点击所述时间轴上的关键时间点可查看关键时刻的人体3D模型图像和数据，通过点击所述时间轴上的关键时间点可查看关键时刻的球杆轨迹图像和数据。

进一步的，所述视觉呈现设备包括在人体视觉范围内呈现几何图形，以描述人体或高尔夫球的运动，所述处理器采集人体姿态及球的数据，所述处理器根据采集的数据计算人体3D模型及高尔夫球飞行轨迹，所述处理器控制所述视觉呈现设备改变几何图形的位置和方向，以描述人体3D模型及高尔夫球飞行轨迹，所述几何图形的呈现包括随人体变化实时呈现及在挥杆完成后进行呈现。

进一步的，所述视觉呈现设备包括激光发射装置，所述激光发射装置在地面上投影直线，用于在人体视觉范围内实时展现人体3D模型数据，所述处理器采 集人体姿态的数据，包括肩部转动角度和髋部转动角度；所述处理器根据采集的数据计算投影的激光线角度，所述处理器控制所述激光发射装置在地面上投影一条和所表现人体转动角度平行的线。

进一步的，所述视觉呈现设备还包括两条LED灯带，两条所述LED灯带用于显示左右脚压力所占总压力的比例，所述LED灯带包括若干LED灯，所述LED灯随着支撑力所占比例的增加而逐步点亮，当重心完全放在其中一只脚上时则将该脚所在侧的所述LED灯全部点亮。

进一步的，所述高尔夫多传感器综合训练系统还包括可升降球梯，所述可升降球梯包括球梯、电机和感应器，所述电机转动带动所述球梯倒下或升起，所述感应器检测所述球梯倒下或升起是否到位，当所述球梯到位时所述电机停止转动。

进一步的，所述高尔夫多传感器综合训练系统还包括出球机构，所述出球机构包括储球结构、轨道、步进电机和轨道感应器，所述储球结构包括管道和托盘，所述轨道经过设计一次只有一颗球放入，所述步进电机转动带动所述轨道升起或落下，两个所述轨道感应器检测所述轨道升起或落下是否就位，当所述轨道就位时所述步进电机停止转动。

进一步的，所述高尔夫多传感器综合训练系统还包括高尔夫球网，用于防止球四处飞散。

根据本实用新型的高尔夫多传感器综合训练系统，本实用新型给出了一种高尔夫多传感器综合训练系统的分析方法，包括如下步骤：

(1)通过惯性传感器测量人体关键点和杆头的九轴信息，根据惯性传感器采集的数据，可直接得到人体和球杆的加速度和角速度信息，并通过积分计算人体的旋转角度和杆头轨迹；

(2)通过红外传感器捕捉杆头和球的空间信息，根据红外传感器采集的数据，可以得到杆头和球的空间位置，并以此计算球的初始飞行轨迹、球的初始飞行速度、球的初始角、球杆的击球角度、球杆的击球速度、球杆杆面朝向；

(3)通过压力传感器获得人体双脚压力信息，其中双脚压力的精确数值大小、压力分布情况及双脚转动方向可通过压力传感器采集的数据计算得到；

(4)通过3D深度摄像机捕捉人体姿态，根据3D深度摄像机采集的骨骼信 息和阴影信息可以得到挥杆过程中包括的头部位置、颈部倾斜角、手臂位置、手臂倾斜角、脊柱位置、脊柱倾斜角、腿位置和腿倾斜角的人体姿态信息；

(5)通过摄像机系统捕捉杆头和球的图像，通过分析摄像机系统所得图像的帧间差可用于计算球的飞行轨迹、旋转速度和旋转方向；

(6)根据红外传感器和摄像机系统捕捉到球初始轨迹计算球的完整飞行轨迹；

(7)通过处理器计算人体3D模型、双脚压力、球杆轨迹和球轨迹；

(8)同步人体3D模型和球杆轨迹，在表格中列举同一关键时间点的人体3D模型参数、双脚压力参数和球杆轨迹参数，并进一步根据表格生成数据曲线；

(9)提供人体3D模型、双脚压力、杆头轨迹和球轨迹的集成视觉呈现，在同一时间坐标轴下同时呈现人体3D模型参数、双脚压力参数、杆头轨迹参数、球轨迹参数的变化情况；

(10)指导球员调整身体参数以获得期望的球杆轨迹，并最终获得特定的球飞行轨迹；

(11)根据球轨迹参数，分析对应的会对该参数造成影响的球杆轨迹参数；根据球杆轨迹参数，分析对应的会对球杆轨迹参数造成影响的人体3D模型参数和双脚压力参数。

其中所述人体3D模型参数、双脚压力参数、球杆轨迹参数和球轨迹参数分别包括：

(1)人体3D模型参数包括脊柱倾斜角、手臂倾斜角、腿倾斜角、头部倾斜角、肩部转动角、髋部转动角；

(2)双脚压力参数包括双脚支撑力分配、重心偏移、脚部与地面接触；

(3)球杆轨迹参数包括球杆的旋转角度、杆头的飞行速度、杆头的朝向、杆头的空间轨迹；

(4)球轨迹参数包括球的初始速度、球的初始方向、球的初始旋转、球的空间轨迹。

本实用新型的有益效果：本实用新型利用多种传感器技术同时测量身体动作、双脚压力、球杆轨迹和球轨迹，提供身体动作、球杆轨迹和球轨迹的同步分析，建立身体动作、双脚压力、球杆轨迹和球轨迹的联系，并通过视觉呈现系统 予以视觉呈现，以实现球员在挥杆训练过程中各参数的精确分析以及对球员表现的精确评估，为得到高质量的击球。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型较优实施方案的示意图。

图2为本实用新型的模型图示，包括人体模型、脚部压力、球杆轨迹和球轨迹。

图3为本实用新型的系统框图。

图4为本实用新型传感器系统的设置方案。

图5为本实用新型传感器系统采集的数据示意图。

图6为本实用新型运动传感器的框图。

图7为本实用新型运动传感器的示意图。

图8为本实用新型运动传感器的设置方案。

图9为本实用新型运动传感器测量杆头数据时的设置方案。

图10为本实用新型运动传感器放置于杆头内部的设置方案。

图11为本实用新型红外传感器的设置方案。

图12为本实用新型投影装置的示意图。

图13为本实用新型第一组红外接收区的检测区域图示及摄像机系统区域图示。

图14为本实用新型第二组红外接收区的检测区域图示。

图15A为本实用新型球红外检测功能的图示。

图15B为本实用新型球杆红外检测功能的图示。

图15C为本实用新型球和球杆就位检测功能的图示。

图15D为本实用新型挥杆出球功能的图示。

图16为本实用新型压力传感器的示意图。

图17为本实用新型压力传感器受力式力的传递过程。

图18为本实用新型压力传感器模块的图示。

图19为本实用新型压力传感器模块的扩展方式图示。

图20为本实用新型摄像区域中摄像机的分布图示。

图21为本实用新型摄像机捕捉球和球杆轨迹功能的图示。

图22为本实用新型人体脊柱倾斜角、手臂倾斜角、腿倾斜角、头部倾斜角参数的图示。

图23为本实用新型人体肩部转动角、髋部转动角参数的图示。

图24为本实用新型人体双脚压力大小、脚的朝向和旋向参数的图示。

图25为本实用新型球杆轨迹的图示。

图26为本实用新型杆头击球面参数的图示。

图27为本实用新型球轨迹、球飞行距离、球发射角参数的图示。

图28为本实用新型球旋转速度参数图示。

图29为本实用新型对于杆头轨迹关键点的图示。

图30为本实用新型由杆头轨迹时间点标定的压力曲线。

图31为本实用新型在时间坐标轴上通过关键点分析参数的图示，通过点击时间坐标轴上的关键时间点，可以得到关键时间点的参数大小。

图32为本实用新型球轨迹追溯球杆轨迹、球杆轨迹追溯人体模型和双脚压力的分析方法图示。

图33为本实用新型显示屏和投影屏幕的图示。

图34为本实用新型激光发射装置的图示。

图35为本实用新型激光发射装置实时显示人体转动角度的图示。

图36为本实用新型出球机构的结构图示。

图37A为本实用新型出球轨道升起状态的图示。

图37B为本实用新型出球轨道落下状态的图示。

图38为本实用新型可升降球梯的结构图示。

具体实施方式

下面结合附图对实用新型进一步说明，但不用来限制本实用新型的范围。

实施例

一个完整的高尔夫击球过程为：球员做出一个挥杆动作，该动作带动球杆旋转，球杆的杆头经过一段飞行轨迹后撞击球，球因此往远处飞行。因此，一次高尔夫击球过程可通过如下模型(图2所示)描述：人体模型101、脚部压力102、球杆轨迹103和球初始轨迹104描述。值得注意的是，有时候高尔夫运动可能为室内的模拟运动，球的飞行过程未必完整，但可以通过前期的球轨迹计算一个模拟轨迹105。

本实用新型提供的一种高尔夫多传感器综合训练系统，包括传感器系统、数据分析系统、视觉呈现系统及必要的机械结构，数据分析系统包括处理器，其中传感器系统、数据分析系统和视觉呈现系统搭载于必要的机械结构之上。图3给出了本实用新型高尔夫多传感器综合训练系统的推荐实施方案的结构框图。最下层为传感器系统，其通过惯性传感器、红外传感器、压力传感器、3D深度摄像机(Kinect)、摄像机系统多样化地测量高尔夫挥杆过程中的人体运动、双脚压力、球杆轨迹及球轨迹。中间一层为数据分析系统，用于从传感器系统读取数据，同步并处理传来的数据，生成人体3D模型、双脚压力、球杆轨迹和球的初始轨迹；根据球的初始飞行轨迹计算球的完整飞行轨迹。最上层为视觉呈现系统，通过显示屏和投影屏幕同时显示挥杆过程和球飞行过程。视觉呈现设备是视觉呈现系统的附加，包括表现人体转动角度激光线和表现双脚支撑力的LED灯带。

一、传感器系统

一个推荐实施方案使用了多达5种传感器技术：惯性传感器技术、红外技术、压力传感器、kinect体感技术、运动捕捉技术。这些技术被紧密结合以确保高尔夫运动检测数据的高精度和多样化。图4提供了传感器系统中各传感器的位置，运动传感器201被设置于人体和杆头上用于采集人体和球杆信息，一个集成了红外传感器和摄像机系统的传感区域202设置于击球区正前方用于采集球和球杆信息，一个红外传感器传感区域203设置于击球区正下方用于采集球和球杆信息。压力传感器204设置于人体站立位置之下用于测量压力大小和脚部轮廓，kinect被放置于击球区之前用于采集人体动作。

图5给出了五种传感器系统采集的数据分类。五种传感器采集的数据可具体分为人体数据、杆数据、球数据，其中人体数据包括人体3D数据和双脚压力数 据。对于同一组数据的数据，存在一些冗余的数据用于校正获得更精确的数据。

1、惯性传感器

惯性传感器包括用于测量杆头九轴信息的运动传感器201，运动传感器201由地磁计、加速度计和陀螺仪等模块组成，并通过无线传输协议向数据处理系统传输数据。图6给出了运动传感器的系统框图，图7给出了运动传感器的一个实施方案。运动用于测量测点的角度、加速度与角速度。

图8给出了现有运动传感器的设置方案。运动传感器被连接至肩301、髋关节302、腕关节303、高尔夫球杆杆头304，测量了肩部、髋部、腕部、球杆杆头的角度、加速度与角速度。

特别地，设置在高尔夫球杆杆头上的运动传感器用于测量高尔夫杆头的加速度、角速度和朝向，以关注高尔夫球杆与球最终接触点运动，该特性有助于分析球杆对球的作用机理。图9和图10给出了三种位于球杆杆头的运动传感器的设置方案：靠近杆头侧311、杆头背面312及嵌入杆头内部313。第一种方案通过在高尔夫球杆上加装固定装置以固定杆头上的运动传感器，该固定装置选用硅胶和橡胶材质，以提供良好的缓冲特性，第二种方案将运动传感器粘贴在球杆背面，第三种嵌入杆头内部的设置方案则需要通过特别研制的球杆实现，该实现方式需要解决天线的设置问题。天线设置可以将天线附在杆头附近用于传输数据，另一种天线设置方案为将运动传感器与金属外壳的一部分相连作为天线。图10给出了运动传感器天线设置方案的一种，杆面的一部分金属外壳320可被取下，运动传感器通过天线和被取下的金属外壳320相连，则该金属外壳320实际上起到了天线的作用。

2、运动捕捉传感器

运动捕捉传感器用于测量球杆的飞行轨迹、球的飞行速度、球的初始角、球杆的击球角度、球杆的击球速度、球杆杆面朝向，其中运动捕捉传感器包括红外传感器和/或摄像机系统，红外传感器和/或摄像机系统用于捕捉球和球杆的运动情况。

2.1、红外传感器

基于红外光敏二极管和红外光敏三极管的红外传感器技术被用于测量击球后球的飞行速率和方向及击球过程中球杆的速率、角速率和朝向。另外，红外传 感器设备被用于外设功能实现，检测击球前球和球杆是否在击球位置上及是否有球杆挥过指定位置。

图11给出了红外传感器的配置方法，图12给出了投影装置的示意图。本实用新型的红外传感器包括第一组红外传感器和第二组红外传感器，第二组红外发射装置403和激光发射装置1001连接在投影装置903上。第一组红外发射装置401将红外光发射到第一组红外传感器的第一组红外接收区402。第二组红外发射装置403的发射的红外光被第二组红外传感器的第二组红外接收区404接收，第一组红外接收区402上部的红外传感区415亦接受由第二组红外发射装置403传来的红外光。其中，如图12所示，第一组红外接收区402上集成了摄像区域710，第二组红外发射装置403位于投影装置903的下方。

图13给出了第一组红外接收区402的检测区域分布，其分别为球轨迹检测区411、球杆轨迹检测区412、球杆就位检测区414，球就位检测413，出球检测区415。图14给出了第二组红外接收区404的检测区域分布，其分别为：球轨迹检测区416、球杆轨迹检测区417、418。

图15A给出了用于球轨迹测量的检测区组合，球轨迹检测区411和球杆轨迹检测区412相组合从两个角度检测球的空间位置。图15B给出了球杆轨迹的测量区组合，球杆轨迹检测区412和球杆轨迹检测区417、418相组合用于检测球杆的切入位置、击球位置和切入角度。图15C给出了检测球和球杆是否就位的示意。当通往球就位检测区413和球杆就位检测区414的红外光被阻挡时，红外传感器将发送信号给处理器，表示球和球杆已经就位，该信号被处理器用于判断是否出球及挥杆准备是否完成。图15D给出了检测球杆是否从指定位置挥过的硬件设置和检测示意。当球杆从出球检测区415上方通过时，红外传感器将发送信号给处理器，表示有杆从415上挥过，作为出一颗球的信号。

2.2、摄像机系统

摄像机系统被用于捕捉球和球杆的运动轨迹和旋转。图20和图21给出了摄像机系统的安装方式及工作方式，摄像机系统包括两个左侧的摄像机和两个右侧的摄像机，4个摄像机被安装于摄像区域710。其中左侧两个摄像机702之间距离为D1，用于测量球杆的运动，右侧两个摄像机701之间差距为D2，用于捕捉球的移动。四个摄像机被集成在一个可拆卸模块上，且该模块可被取下，四个摄 像机分布在可拆卸模块的四个角上，从不同的角度捕捉球的运动。

处理器通过分析帧差进行球速度和旋转速度计算。通过分析球位置的差别，可以计算得球的速度和飞行方向，通过分析球纹理的细微差别，可以计算球的旋转。通过摄像机系统获得的球速度、飞行方向、旋转信息，可以进一步推测球的飞行轨迹，从而分析击球质量。

3、压力传感器

压力传感器204被用于测量脚部和地面的接触轮廓和双脚的受力情况。与已有的仅通过膜片式压力传感器进行脚部检测的方案不同，本实用新型的压力传感器是一种复合了称重式压力传感器和膜片式压力传感器的压力传感器，其被设计用于兼顾脚与地面接触轮廓和受力的绝对大小。

压力传感器从上到下分别为膜片式压力传感器、机械连接结构、称重式压力传感器，膜片式压力传感器覆盖于一个机械连接结构提供的平面之上，机械连接结构为膜片式压力传感器提供一个合适的放置面并为称重式压力传感器提供一个合适的连接，使压力完全传递至称重式压力传感器。图16给出了一种实施方案的结构示意图。称重式压力传感器采取四个压力应变片501，用于精确测量压力传感器受到的压力值大小。膜片式压力传感器采用一个集成了大量膜片传感器502的膜片504，提供了大量测点，用于精确检测脚部轮廓和力的分布趋势，膜片504还集成了电路，提供排线口510以供数据读取。压力应变片501和膜片504之间存在机械连接结构503。机械连接结构503为膜片504提供了一个平面，另外，机械连接结构503由四个压力应变片501支撑，这样子，分散在膜片504上的压力最终经过机械连接结构503完全传递至四个压力应变片501上。

图17给出了压力传感器204上压力的传递方式。当脚踩在压力传感器204之上时，各个点的相对压力被膜片504读取，得到压力分布区域和分布趋势。力通过膜片504传递至机械连接结构503上。而压力经过机械连接结构503完全传递至压力应变片501上，可以通过压力应变片501求得的压力数值的相加得到脚对于地面的绝对压力。

压力传感器204可以通过模块化设计实现可扩展的压力传感器模块。每个压力传感器模块包括称重式压力传感器、膜片式压力传感器、称重式压力传感器和膜片式压力传感器之间的机械连接结构和一个外壳封装。

外壳被用于提供压力传感器模块的封装，具有如下特点：

(1)与称重式压力传感器直接相连，支撑称重式压力传感器，且仅对称重式压力传感器提供竖直方向上的支撑力；

(2)限定机械连接结构的水平位移；

(3)提供压力传感器模块与压力传感器模块之间的机械连接结构。

压力传感器模块进行以下设计进行拓展：

(1)处理器使用取址的方式对压力传感器模块进行数据读取；

(2)压力传感器模块间通过机械结构相连测量连续的区域；

(3)多个压力传感器模块可并联使用提供足够大的测量区域。

图18和图19给出了对于图16所示压力传感器模块实施方案的模块化设计。

压力应变片501、膜片504和机械连接结构503如之前所述。底壳505提供了压力传感器的封装，首先，其提供了4个凹槽用于放置压力应变片501，其次，其水平截面形状与机械连接结构503水平截面形状一致，限定了机械连接结构503的水平位移，最后，其与基座520相连，只要通过设计合适的基座520，即可实现压力传感器模块间的连接和无限大的扩展。膜片504上方的外壳506和外壳507将整个压力传感器和底壳505包裹在内，提供了封装，而其橡胶材质和结构设计确保脚部压力的传递。图19给出了压力传感器模块的一种拓展方式，设计了一种可容纳八个压力传感器模块的基座520。这种设计方法保证了安装简便，利于移动，足以提供一个高尔夫运动员挥杆时的站立区域。

4、3D深度摄像机(Kinect)

基于kinect体感技术追踪人体骨骼，可用于获得人体头部、手臂、脊椎、腿部等各个部位的位置信息和运动状态。图4给出了Kinect的安装示意，其安装于人体站立区的正前方，用于捕捉击球过程中球员身体的骨骼位置。Kinect骨骼捕捉所定义的人体部位模型，包括：头、颈、左肩、右肩、左肘、右肘、左腕、右腕、左手、右手、脊柱、臀部中央、左臀、右臀、左膝、右膝、左踝、右踝、左脚和右脚，该模型的其中一些参数被用于重点分析球员正确姿势。定义的挥杆过程身体参数如下：头部位置、颈部倾斜角、手臂位置、手臂倾斜角、脊柱位置、脊柱倾斜角、腿位置、腿倾斜角。这些参数组成了一个人体3D模型，用于描述球员在击球过程的动作变化。

二、数据分析系统与分析过程

数据分析系统包括处理器，处理器被用于处理传感器系统设备传来的数据以生成人体3D模型、双脚压力、杆头轨迹和球飞行轨迹，并分析它们之间的联系。

处理器实现的分析功能为：(1)数据处理，将传感器系统采集得的直接物理量转换为定义人体3D模型的参数、定义杆头轨迹的参数、定义球飞行轨迹的参数。其通过算法及传感器系统间数据地互相校准提高参数的精确性和稳定性。(2)数据分析，分析已定义的参数，例如身体姿态是否准确，双脚重力分布是否准确，球杆杆头轨迹是否正常，球飞行轨迹是否符合需要。(3)参数联系分析，分析定义参数间的配合关系，如人体姿态和双脚重心之间的关系，人体姿势和杆头轨迹之间的关系，人体姿势和球飞行轨迹之间的关系。

处理器在数据处理过程中定义了如下参数：

(1)人体3D模型参数：头部倾斜角801、脊柱倾斜角802、手臂倾斜角803、腿倾斜角804、肩部转动角805、髋部转动角806、人体腕部角度、腕部位置；

(2)双脚压力参数：双脚支撑力分配807、双脚旋转趋势808、脚部与地面接触轮廓及相对分布趋势；

(3)球杆轨迹参数：球杆的旋转角度、杆头的空间位置809、杆头的朝向810、杆头的飞行速度；

(4)球轨迹参数：球的初始速度、球的初始方向812、球的初始旋转814、球的空间轨迹球811。

图22至图27给出了一系列参数的图示。经过系统处理，可以得到一系列如上定义的人体3D模型、双脚压力、球杆轨迹、球轨迹参数，显然在一次挥杆过程中，这些参数必须被限定在一定范围内才是一次良好的击球。数据分析主要针对数据处理后得到的参数，分析其是否在限定范围内。例如可以得到头部倾斜角、脊柱倾斜角、手臂倾斜角、腿倾斜角、肩部转动角、髋部转动角是否过大或者过小；重心是否过于靠近身体一侧；脚的朝向和旋向是是否正确；球杆轨迹最低点是否过低；球杆击球速度、角度是否正确；球初始速度、角度、旋转情况是否正确；球最终的落地距离。

参数之间的联系分析方法包括：(1)人体3D模型和球杆轨迹之间数据的同步，表格显示关键时间点时的各个参数，通过该表格可进一步生成曲线；(2)通 过对人体3D模型、球杆轨迹范围的限定来推测球轨迹；(3)通过对球轨迹反向追溯对应的人体3D模型和球杆轨迹错误所在。

参数的同步过程将以球杆轨迹和双脚支撑力的数据同步作为具体例子。如图29所示，杆头的轨迹为由上杆过程和下杆过程组成的空间位置变化曲线，通过对于该轨迹的分析发现上杆6点钟方向、上杆9点钟方向、上杆12点钟方向、转折点、下杆12点钟方向、下杆9点钟方向、下杆6点钟方向、下杆3点钟方向等轨迹位置有着垂直于地面、水平于地面、球轨迹转折这样明确的物理意义，可以作为其他参数分析的参考点。通过数据同步调整各传感器之间时间坐标，将这些关键点的时间坐标作为关键时间点标定压力曲线的数据，可以得到双脚支撑力和杆轨迹的坐标关系，如图30所示。另外，可以建立人体3D模型各个参数与球杆轨迹关键点的表格进行分析。另外，如图31所示，一个标有时间关键点的时间坐标轴850被用于挥杆过程分析，球员挥杆与压力变化的动画被同时播放以直观显示球杆轨迹和压力变化之间的联系，两侧显示参数数值的大小变化以获得定量分析。点击时间坐标轴850上的关键时间点可以观察到关键时间点的数据，包括开始时刻、上杆9点钟、上杆12点钟、转折点、下杆12点钟、下杆9点钟、击球点、下杆3点钟和下杆0点钟。

对于人体3D模型、双脚压力、球杆轨迹和球轨迹的分析重点在于其联系。通过调整人体和压力的参数至一定范围内，球的轨迹应该是可以预计的，而根据球轨迹的参数，相应的人体3D模型、双脚压力和球杆轨迹是可以被逆向推测的。建立人体3D模型、双脚压力、球杆轨迹和球轨迹联系的目的之一在于通过期望球轨迹限定球杆轨迹和人体模型的参数范围。根据场合不同，球员会期望不同的球飞行轨迹，例如小左曲、大右曲或直球，这类球可以通过球的飞行轨迹参数来描述。通过分析可以得到击出所期望飞行轨迹应有的人体参数和球杆参数范围，并针对性地进行训练。

建立人体3D模型、双脚压力、球杆轨迹和球轨迹联系的另一个目的是通过不良的球轨迹回溯球杆的轨迹错误，进一步回溯至人体动作和双脚压力分配的错误。图32展示了根据球轨迹追溯球杆轨迹，根据球杆轨迹追溯人体3D模型和双脚压力的数据分析方法。球的初始轨迹可以用多个参数描述，对球的参数861进行分析，例如球的发射角，一个良好的击球过程中，这个角度大小应该被限定 在一定范围内，如果这个值较合理值发生了偏差，则一定是由于杆头击球时轨迹参数862处于一个不合理的值，近一步分析杆头击球时轨迹参数862，可以得到对球的参数861造成影响的杆头轨迹参数。通过相同的方法可以由击球时杆头轨迹参数862追溯至挥杆过程中杆头轨迹863，由挥杆过程中杆头轨迹863追溯至人身体姿态变化参数864，从而建立起分析不良击球的方法。

三、视觉呈现系统

1、显示屏和投影屏幕

视觉呈现系统通过显示屏901和投影屏幕902双屏幕的方式进行视觉呈现，同时给出人体3D模型、双脚压力、球杆轨迹和球轨迹。显示屏901带来更好的操作体验，投影屏幕902带来更好的视觉体验。图33给出显示屏901和投影屏幕902的设置方式，其中显示屏901安装在用户面朝方向，用于建立3D模型向用户直观展现人完整的击球过程及关键数据，包括人体姿态、球杆轨迹、球轨迹等。投影装置903安装于击球区域之上，其对应的投影屏幕902安装于击球方向上，用于建立球场的模拟环境，提供包括球起始飞行角度、飞行速度等信息，并在模拟球场中显示球飞行轨迹及飞行距离。

显示屏901可用于展现人体姿态的参数，包括：人体脊柱、手臂、大腿、头部倾斜角，人体肩部、髋部转动角，人体双脚压力、重心偏移、脚部轮廓，这些参数展示通过图像和数值两种方式表现其大小。显示屏901用于重现球员的击球过程，通过录像和kinect阴影两种方式，录像特点为是击球过程的真实再现，但是存在一个背景的干扰而kinect阴影捕捉图像去除了背景图案，专注于表现人体动作。显示屏901用于展现球杆的轨迹，杆头的轨迹可配合kinect阴影重现一个轨迹的生成过程。显示屏901可用于生成球的飞行轨迹，包括球飞行距离的图示和弹跳的细节，另外，显示屏901应有飞行距离、初始速度、初始角度的数据显示。显示屏901可用于提供用户错误姿势的信息，球员应该在下一次挥杆过程中注意避免同样的错误。显示屏901可用于显示多次挥杆间的差异，这个特性对于球员提高自己很有用，一方面球员可以对比自身几次挥杆之间的差异，重点关注自己一次成功的挥杆过程和一次失败的挥杆过程的差异，以记录成功的挥杆过程并避免失败的挥杆过程所犯的错误。另一方面，球员可对比自己和优秀球员的差异，通过模仿优秀球员的挥杆姿势以提高自己的挥杆技巧。

投影屏幕902可用于显示一个模拟的球场，提供一个更为真实的击球感受。该模拟球场应符合真实球场的环境设置，包含有球洞、峰顶、球场边界等信息，并符合真实球场的大小规模。这个模拟球场可以为完全虚构出来的，也可以是一个存在球场的完全再现。存在球场的完全再现事实上提供了一个对于该球场的专门训练。投影屏幕902可用于展现一个球的动态飞行轨迹，对自己击球的飞行过程有个更直观感受。球飞行轨迹有多种视觉角度，一种为从俯瞰角度完全表现球在一个球场的飞行过程，这样对于球落点会有更直观的感受。一种为从击球者角度看球击飞的过程，这样可以更直观感受球的角度、速度和远近的关系。一种为球的跟踪视角，以展现更加良好的视觉效果。投影屏幕可包含显示球历史飞行轨迹的拓展功能，其有助于用户分析挥杆姿势和球轨迹之间的联系。

视觉呈现系统还包括视觉呈现设备，视觉呈现设备包括在球员挥杆后提示球员的错误，处理器采集人体姿态的数据，处理器根据采集的数据计算人体3D模型，处理器将人体3D模型与正确的模型相比较，视觉呈现设备提示人体挥杆过程中错误的身体姿势。

视觉呈现设备包括在同一时间坐标下，同时显示人体3D模型和球杆轨迹的图像及相关数据随时间的变化，视觉呈现设备显示时间轴，时间轴会提示关键的时间点，通过点击时间轴上的关键时间点可查看关键时刻的人体3D模型图像和数据，通过点击时间轴上的关键时间点可查看关键时刻的球杆轨迹图像和数据。

视觉呈现设备包括在人体视觉范围内呈现点或线或箭头或圆等几何图形，以描述人体或高尔夫球的运动，处理器采集人体姿态及球的数据，处理器根据采集的数据计算人体3D模型及高尔夫球飞行轨迹，处理器控制所述视觉呈现设备改变点或线或箭头或圆等几何图形的位置和方向，以描述人体3D模型及高尔夫球飞行轨迹，点或线或箭头或圆等几何图形的呈现包括随人体变化实时呈现及在挥杆完成后进行呈现。

2、激光发射装置

视觉呈现设备包括激光发射装置1001，激光发射装置1001在地面上投影一条线，用于在人体视觉范围内实时展现人身体的转动角度；处理器采集人体姿态的数据，包括肩部转动角度和髋部转动角度；处理器根据采集的数据计算投影的激光线角度。处理器控制连接在投影装置903上的激光发射装置1001在地面上 投影一条和所表现人体部位平行的线。激光发射装置1001用于实时呈现人体身体的转动角度。对于高质量的击球，人体上身转动角是重要参数，但该参数仅可从俯瞰的视觉更好地捕捉。激光发射装置1001在地面上投影出直线1010在人体视觉范围实时展现人体的转动角度。图34展示了通过激光发射装置1001实时展现人体转动角度的图示，在其中线1011随着肩部转动实时转动，保持与肩部在地上的投影1021相平行，以实时显示肩部转动角805；线1012随着髋部转动实时转动，保持与髋部在地上的投影1022相平行，以实时显示肩部转动角806。通过观察线1011和1012，上半身的转动角度可被球员观察到。

3、LED灯带

视觉呈现设备还包括两条LED灯带，用于展现人重心的分配情况。对于高质量的击球，重心分配是重要参数，重心通过左右脚的支撑力比例来判断，而左右脚的支撑力比例则通过左右灯带亮灯比例表示。左右的灯带各由32盏LED灯组成，LED灯随着支撑力所占比例的增加而逐步点亮。支撑力比例每增加3.125％，灯多点亮一盏，这样，当力的分配达到100％时，则刚好可以将LED灯全部点亮。球员可以通过左右LED灯点亮情况实时判断自己重心分配情况/。

四、本实用新型系统所需的必要机械结构

1、可升降球梯

高尔夫多传感器综合训练系统包括可升降球梯，用于提供球在地上和球在球梯上两种击球情况。图38表示了可升降球梯的机械结构，其由球梯1201、转动轴1203、皮带1204、电机1202、感应器组成。球梯被设计1201成管道形式，材质为橡胶，这种结构和材质在变形后可恢复，保证了球杆挥中球梯1201不至于损坏。电机1202转动带动球梯1201倒下或升起。传动方式为带传动，当球杆击中球梯1201，球梯1201被击倒，带传动确保传动结构不至于损坏。感应器检测球梯1201是否到位，当球梯1201到位时停止电机1202。整个可升降球梯被埋在草垫内部，以保护球梯1201的机械结构并提供一个平整的地面。可以看到，当球梯升起，球刚好落入橡胶管开口处确保其不至于移动，当球梯落下，球刚好卡在地面上的孔中，确保其不至于随意移动。

2、出球机构

高尔夫多传感器综合训练系统还包括一个出球机构用于击球后自动摆放一 个球在击球点。图36给出了出球机构的机械结构，其由储球结构、轨道1103、步进电机1104、轨道感应器组成。储球结构由一个管道1102和托盘1101组成，管道直径1102仅允许一次一颗球通过，管道1102的材料为透明工程塑料，以便用户观察储存球的数量，托盘1101一端口做的足够大以保证球容易被放入托盘，且其大小保证了能储存一定数量的球。轨道1103用于球的滑落，入球侧设计了一个勺状结构保证一次仅有一颗球被放入，如图37A和图37B所示，当轨道升起1152，球可以进入轨道。当轨道落下1151，勺状结构阻止下一颗球进入轨道，且轨道1103提供合适的倾角确保球滑下。轨道1103出球侧有一个缓冲垫可以保证球的竖直落下，使球平稳放置到球梯或地面上。一个步进电机1104被用于带动轨道1103升起或落下，两轨道感应器用于检测轨道1103是否就位，当轨道1103就位时发出信号停止步进电机1104。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (16)

1.一种高尔夫多传感器综合训练系统，其特征在于，包括传感器系统、数据分析系统和视觉呈现系统，所述传感器系统包括惯性传感器、运动捕捉传感器和压力传感器，所述数据分析系统包括处理器，所述处理器与所述传感器系统相通讯，所述处理器与所述视觉呈现系统相通讯。

2.根据权利要求1所述的高尔夫多传感器综合训练系统，其特征在于，所述运动捕捉传感器包括红外传感器和/或摄像机系统。

3.根据权利要求1所述的高尔夫多传感器综合训练系统，其特征在于，所述传感器系统还包括3D深度摄像机。

4.根据权利要求2所述的高尔夫多传感器综合训练系统，其特征在于，所述传感器系统还包括3D深度摄像机。

5.根据权利要求2或4所述的高尔夫多传感器综合训练系统，其特征在于，所述摄像机系统包括两个左侧的摄像机和两个右侧的摄像机，两个左侧的摄像机和两个右侧的摄像机集成在可拆卸模块上。

6.根据权利要求1～4任一项所述的高尔夫多传感器综合训练系统，其特征在于，所述惯性传感器包括运动传感器，所述运动传感器设置在人体的肩部、髋部、腕部以及球杆杆头，所述运动传感器包括加速度计、陀螺仪和磁力计，所述运动传感器通过无线传输协议传输数据至所述处理器。

7.根据权利要求6所述的高尔夫多传感器综合训练系统，其特征在于，所述运动传感器设置于球杆杆头的位置包括如下：(1)所述运动传感器设置在靠近杆头的球杆上；(2)所述运动传感器粘贴在杆头击球面的背面；(3)所述运动传感器设置在杆头内部，所述运动传感器与附在杆头处的天线相连接，或者所述运动传感器与杆头的金属外壳相连接作为天线。

8.根据权利要求2或4所述的高尔夫多传感器综合训练系统，其特征在于，所述红外传感器包括第一组红外传感器和第二组红外传感器，所述第一组红外传感器包括第一组红外发射装置，所述第一组红外发射装置发射的红外光被第一组红外接收区接收，所述第一组红外传感器包括第二组红外发射装置，所述第二组红外发射装置发射的红外光被第二组红外接收区接收；所述第一组红外接收区的检测区域分为球轨迹检测区、球杆轨迹检测区、球杆就位检测区和球就位检测区；所述第二组红外接收区的检测区域分为球轨迹检测区和球杆轨迹检测区。

9.根据权利要求1～4任一项所述的高尔夫多传感器综合训练系统，其特征在于，所述压力传感器包括膜片式压力传感器和称重式压力传感器，所述膜片式压力传感器和称重式压力传感器通过机械连接结构连接。

10.根据权利要求9所述的高尔夫多传感器综合训练系统，其特征在于，所述称重式压力传感器采用压力应变片，所述膜片式压力传感器采用集成若干膜片传感器的膜片，所述压力传感器由数个压力传感器模块组成，所述压力传感器模块包括四个所述压力应变片和一个所述集成若干膜片传感器的膜片，所述压力传感器模块之间相互连接。

11.根据权利要求1～4任一项所述的高尔夫多传感器综合训练系统，其特征在于，所述视觉呈现系统包括显示屏和投影屏幕。

12.根据权利要求11所述的高尔夫多传感器综合训练系统，其特征在于，所述视觉呈现系统还包括视觉呈现设备。

13.根据权利要求12所述的高尔夫多传感器综合训练系统，其特征在于，所述视觉呈现设备包括激光发射装置。

14.根据权利要求12所述的高尔夫多传感器综合训练系统，其特征在于，所述视觉呈现设备还包括两条LED灯带，所述LED灯带包括若干LED灯。

15.根据权利要求1～4任一项所述的高尔夫多传感器综合训练系统，其特征在于，所述高尔夫多传感器综合训练系统还包括可升降球梯，所述可升降球梯包括球梯、电机和感应器，所述电机转动带动球梯倒下或升起，所述感应器检测所述倒下或升起是否到位，当所述球梯到位时所述电机停止转动。

16.根据权利要求1～4任一项所述的高尔夫多传感器综合训练系统，其特征在于，所述高尔夫多传感器综合训练系统还包括出球机构，所述出球机构包括储球结构、轨道、步进电机和轨道感应器，所述储球结构包括管道和托盘，所述轨道经过设计一次只有一颗球放入，所述步进电机转动带动所述轨道升起或落下，两个所述轨道感应器检测所述轨道升起或落下是否就位，当所述轨道就位时所述步进电机停止转动。