JP2012058066A - Device and method for detecting rotation of sphere - Google Patents

Device and method for detecting rotation of sphere Download PDF

Info

Publication number
JP2012058066A
JP2012058066A JP2010201172A JP2010201172A JP2012058066A JP 2012058066 A JP2012058066 A JP 2012058066A JP 2010201172 A JP2010201172 A JP 2010201172A JP 2010201172 A JP2010201172 A JP 2010201172A JP 2012058066 A JP2012058066 A JP 2012058066A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
acceleration
sphere
axis
rotation
estimated
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2010201172A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP5681936B2 (en
Inventor
Yuichi Senda
有一 千田
Hidesuke Takahashi
英輔 高橋
Nobuyuki Nakajima
信行 中島
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NISHIZAWA DENKI KEIKI SEISAKUSHO KK
Shinshu University NUC
Original Assignee
NISHIZAWA DENKI KEIKI SEISAKUSHO KK
Shinshu University NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NISHIZAWA DENKI KEIKI SEISAKUSHO KK, Shinshu University NUC filed Critical NISHIZAWA DENKI KEIKI SEISAKUSHO KK
Priority to JP2010201172A priority Critical patent/JP5681936B2/en
Publication of JP2012058066A publication Critical patent/JP2012058066A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5681936B2 publication Critical patent/JP5681936B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a rotation measurement device of a sphere by which rotation speed and a rotation direction of the sphere which flies with rotation are estimated by simple structure without being affected by acceleration due to centrifugal force.SOLUTION: A ball 1 is thrown, and triaxial acceleration signals detected from a triaxial acceleration sensor 3 provided at the center of gravity of the ball 1 are transmitted by radio. The acceleration signals in the triaxial direction during when the ball 1 is flying are extracted in an arithmetic processing part 9 from acceleration data obtained by performing A/D conversion of the acceleration signals received by a signal processor 8, and after preprocessing for removing an offset portion from a synthetic acceleration signal of the triaxial acceleration signals is performed, the rotation speed of the sphere and its time variation are estimated from time variation of a frequency amplitude value obtained by performing continuous wavelet conversion, and the rotation direction centering around a rotational axis of the sphere is estimated from time variation of an amplitude ratio of the extracted acceleration signals in the triaxial direction to be displayed on a display device 10.

Description

回転をともなって飛翔する球体の推定回転速度及び回転方向を算出して表示する球体の回転検出装置及び方法に関する。   The present invention relates to a sphere rotation detection apparatus and method for calculating and displaying an estimated rotation speed and direction of a sphere flying with rotation.

野球、ソフトボール、バレーボール、サッカー、テニスなどの球技においては、競技者の競技の質を科学的に分析するうえでボールの回転が重要なファクターとなっている。例えば、野球においては、投手の役割は大きく、投手の出来が勝敗に大きく左右することは知られている。   In ball games such as baseball, softball, volleyball, soccer, and tennis, the rotation of the ball is an important factor in scientifically analyzing the quality of the competition. For example, in baseball, the role of the pitcher is large, and it is known that the result of the pitcher greatly depends on the victory or defeat.

アマチュア、プロを問わず投手を評価する場合、いわゆる球速、制球力、球の切れのよしあしなどで評価される場合が多いが、球の切れは定量的に把握されていない。この球切れは、投球時のボールの単位時間当たりの回転数(回転速度)や回転方向に依存していると考えられる。また、スポーツ医学的な見地からは、怪我をしない正しいフォームで投球しているときの球種に応じた単位時間当たりの回転数や回転方向に関するデータと、無理なフォームで投げたときのデータと比較することにより、監督やコーチが投手の肩や肘に対する負荷を矯正する必要性を説くうえでも望ましい。   When evaluating a pitcher regardless of amateur or professional, the evaluation is often based on the so-called ball speed, ball control, goodness of ball breakage, etc., but the ball breakage is not quantitatively grasped. This ball breakage is considered to depend on the number of rotations (rotation speed) per unit time of the ball at the time of pitching and the direction of rotation. Also, from a sports medical standpoint, data on the number of rotations and rotation direction per unit time according to the type of ball when throwing in the correct form without injury, and data when throwing in an unreasonable form By comparing, it is also desirable for directors and coaches to explain the need to correct the load on the pitcher's shoulders and elbows.

単位時間当たりの回転数の計測としてはハイスピードカメラによりボールを撮像して回転数を計測する方法もあるが、装置が大がかりになり、画像処理にコストや時間が係る。
また、ゴルフボールの表面に他と反射率の異なるマークを付し、空中に打ち上げられたゴルフボールの反射光量を検出することで回転数を検出する回転数測定装置も提案されている(特許文献1参照)。
また、回転軸が重力方向にない状態で回転する回転体に装着され、回転体の回転接線方向の加速度が検出されて、回転体の角速度や回転数を検出する回転数検出装置も提案されている(特許文献2参照)。
或いは、ボールの球種を判別するため、ボール内の仮想正四面体の頂点部に無線タグ回路素子を内蔵させておき、野球場のフィールド外に設けられた方位角アンテナで検出された仮想正四面体の頂点座標から重心の座標を算出する。これらのデータは、ボールが投球されてから補給されるまでの間サンプリングされメモリに記憶され、姿勢解析並びに運動解析が行なわれて球種の判定が行なわれるようになっている(特許文献3参照)。
As a method for measuring the number of revolutions per unit time, there is a method of measuring the number of revolutions by imaging a ball with a high-speed camera. However, the apparatus becomes large and costs and time are required for image processing.
In addition, a rotational speed measuring device that detects the rotational speed by attaching a mark having a different reflectance to the surface of the golf ball and detecting the amount of reflected light of the golf ball launched into the air has been proposed (Patent Document). 1).
Also proposed is a rotation speed detection device that is mounted on a rotating body that rotates without the rotation axis being in the direction of gravity and detects the angular velocity and the rotation speed of the rotating body by detecting the rotational tangential acceleration of the rotating body. (See Patent Document 2).
Alternatively, in order to determine the ball type, a wireless tag circuit element is built in the apex of the virtual regular tetrahedron inside the ball, and the virtual positive detected by the azimuth antenna provided outside the field of the baseball field. The coordinates of the center of gravity are calculated from the vertex coordinates of the tetrahedron. These data are sampled from when the ball is thrown up until it is replenished, stored in the memory, and posture analysis and motion analysis are performed to determine the type of ball (see Patent Document 3). ).

特開平9−68539号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-68539 特開2009−42196号公報JP 2009-42196 A 特開2007−80102号公報JP 2007-80102 A

しかしながら、特許文献1のようにボールの回転数を光学的に検出する方法では、投光部よりボールに光照射して得られる反射光を検出する必要があるため、装置構成が大がかりになるうえに、投光領域が限られている場合には、球種によっては投光領域においてボールがほとんど回転しないものがあるため、単位時間当たりの回転数が計測できない場合も想定される。
また、特許文献2のように加速度センサにより回転体の接線方向加速度を測定して測定の原理から回転数を検出することも可能である。しかしながら、投手が投げるボールは、例えば1秒間に40回転するストレート系の高速回転する球種もあれば、フォークボールやナックルボールのようにほとんど回転しない低速回転の球種も様々である。よって、加速度センサの位置が僅かにずれただけでも、重力加速度の変動が大きく作用するため、測定誤差が生じやすい。
また、特許文献3のようなボール内の仮想正四面体の頂点部に無線タグ回路素子を内蔵させることが難しい。また、無線タグ回路素子により検出するデータ量が多く、姿勢解析や運動解析を行なうために複雑な演算処理を伴うため、装置コストも高くなるという課題があった。
However, in the method of optically detecting the number of rotations of the ball as in Patent Document 1, it is necessary to detect reflected light obtained by irradiating the ball with light from the light projecting unit. In addition, when the light projection area is limited, depending on the type of the ball, there is a case where the ball hardly rotates in the light projection area, and therefore it is assumed that the number of rotations per unit time cannot be measured.
Further, as in Patent Document 2, it is also possible to measure the tangential acceleration of the rotating body with an acceleration sensor and detect the number of rotations from the principle of measurement. However, the ball thrown by the pitcher includes, for example, a straight high-speed ball type that rotates 40 times per second, and a low-speed rotation ball type that hardly rotates such as a fork ball or a knuckle ball. Therefore, even if the position of the acceleration sensor is slightly shifted, a variation in gravitational acceleration acts greatly, so that a measurement error is likely to occur.
Further, it is difficult to incorporate the RFID circuit element at the apex of the virtual tetrahedron in the ball as in Patent Document 3. In addition, since the amount of data detected by the RFID circuit element is large and complicated calculation processing is required to perform posture analysis and motion analysis, there is a problem that the apparatus cost increases.

また回転体の角速度を計測するにはジャイロセンサが用いられる。よってボールの中にジャイロセンサを搭載すれば、回転速度を計測できると推測される。しかしながら、例えばプロ野球選手が投球するボールの回転速度は40rpmに到達することもあるため、かかる高速回転を計測するジャイロセンサは存在しない。   A gyro sensor is used to measure the angular velocity of the rotating body. Therefore, it is presumed that the rotational speed can be measured by mounting a gyro sensor in the ball. However, for example, since the rotation speed of a ball thrown by a professional baseball player may reach 40 rpm, there is no gyro sensor for measuring such high-speed rotation.

投手が捕手に向けてボールを投げると、投球後にボールに作用する加速度としては空気抵抗力による加速度aair とマグナス効果による加速度amagがある。尚、重力加速度を考慮していないが、加速度センサの特性上ボールが飛翔している間は重力加速度を計測できないためである。マグナス効果とは、ボールが粘性を有する流体中を回転しながら移動する際にボールの周りに生じる圧力差が発生する現象であり、例えばストレート系の縦回転のボールの場合には、進行方向に対して垂直な力を受ける。 When the pitcher throws the ball toward the catcher, acceleration acting on the ball after the throw includes acceleration a air due to air resistance and acceleration a mag due to the Magnus effect. Although gravitational acceleration is not taken into account, the gravitational acceleration cannot be measured while the ball is flying due to the characteristics of the acceleration sensor. The Magnus effect is a phenomenon in which a pressure difference occurs around the ball as it moves while rotating in a viscous fluid. For example, in the case of a straight longitudinally rotating ball, It receives vertical force against it.

ボールが縦回転しながらX´方向に進んだ際にボールに作用する加速度を図16に示す。図16においてX−Y座標は、運動座標系(センサ軸)、X´‐Y´座標は絶対座標系を示す。
空気抵抗力による加速度aair は、進行方向と逆向きに作用し、マグナス効果による加速度amagは進行方向に対して垂直上向きに作用する。これは、ボールの回転方向に対して上側と下側とで圧力差が発生することによる。ボールに搭載した加速度センサ(X−Y運動座標系)により合成加速度を求めるとボールの回転と同期して方向が変化するため正弦波信号となる。更には、ボールの回転による遠心力の加速度がオフセット分として加わる。
加速度センサによって計測される加速度はオフセットをもつ正弦波信号となり次式で表すことができる。
a=aair+amag+(dω/dt)×r+ω×(ω×r)
このボールの進行方向をX軸、Y軸を鉛直方向とする絶対座標系でボールに作用する加速度を加速度センサにより計測し、X´−Y´方向の合成加速度を求めると、ボールの回転に同期して加速度の向きも変わっていくため、図17に示すような正弦波信号として計測される。このとき、加速度センサがボールの重心よりずれた位置に組み付けられたことに起因する遠心力による加速度(一定値)が重畳される。このように加速度センサの取付半径が大きいと、オフセット信号の値が大きくなるため、測定レンジの大きい加速度センサを用いる必要がある。しかしながら、オフセット信号の値に比べて本来計測すべき正弦波信号の振幅が相対的に小さくなるため、かかる振幅がノイズとして埋もれて計測し難くなる。
FIG. 16 shows the acceleration acting on the ball when the ball advances in the X ′ direction while rotating vertically. In FIG. 16, an XY coordinate indicates a motion coordinate system (sensor axis), and an X′-Y ′ coordinate indicates an absolute coordinate system.
The acceleration a air due to the air resistance acts in the opposite direction to the traveling direction, and the acceleration a mag due to the Magnus effect acts vertically upward with respect to the traveling direction. This is because a pressure difference is generated between the upper side and the lower side with respect to the rotation direction of the ball. When the resultant acceleration is obtained by an acceleration sensor (XY motion coordinate system) mounted on the ball, the direction changes in synchronization with the rotation of the ball, so that a sine wave signal is obtained. Furthermore, the acceleration of the centrifugal force due to the rotation of the ball is added as an offset.
The acceleration measured by the acceleration sensor becomes a sine wave signal having an offset and can be expressed by the following equation.
a = a air + a mag + (dω / dt) × r + ω × (ω × r)
The acceleration acting on the ball is measured by an acceleration sensor in an absolute coordinate system in which the moving direction of the ball is the X-axis and the Y-axis is the vertical direction, and the resultant acceleration in the X′-Y ′ direction is obtained to synchronize with the rotation of the ball. Since the direction of acceleration also changes, it is measured as a sine wave signal as shown in FIG. At this time, acceleration (a constant value) due to centrifugal force resulting from the assembly of the acceleration sensor at a position shifted from the center of gravity of the ball is superimposed. When the mounting radius of the acceleration sensor is large as described above, the value of the offset signal becomes large, so that it is necessary to use an acceleration sensor with a large measurement range. However, since the amplitude of the sine wave signal to be originally measured is relatively smaller than the value of the offset signal, the amplitude is buried as noise and is difficult to measure.

以下に述べる課題を解決するための手段の目的とするところは、遠心力による加速度の影響を受けずに簡単な構成で回転をともなって飛翔する球体の回転速度及び回転方向を推定できる球体の回転計測装置及び方法を提供することにある。   The purpose of the means for solving the problems described below is to rotate the sphere that can estimate the rotational speed and direction of the sphere flying with a simple structure without being affected by the acceleration due to the centrifugal force. It is to provide a measuring apparatus and method.

前記課題を解決するための代表的な手段は、以下の構成を備える。
回転を伴って飛翔する球体と、該球体の重心若しくは重心近傍に設けられX軸,Y軸,Z軸の3軸方向の加速度を検出する加速度検出部と、該加速度検出部により検出された3軸方向の加速度信号を増幅して無線送信する送信機とを備えた加速度検出装置と、前記送信機より無線送信された飛翔中の前記球体に作用した加速度信号を受信機にて受信してアナログ‐デジタル変換して加速度データとして出力する受信回路と、前記受信回路から出力された加速度データを記憶するとともに前記球体が飛翔中の3軸方向の加速度信号を抽出し、3軸方向の合成加速度からオフセット分を除去する前処理を行なった後に連続ウェーブレット変換処理を行って得られた3軸方向の加速度信号の所定時間間隔における周波数振幅値の時間変化から球体の回転速度を推定し、前記抽出された3軸方向の加速度信号の振幅比から推定される回転軸位置を算出する演算処理部と、を備えた信号処理装置と、前記演算処理部で算出された球体の回転速度の推定値並びに推定される回転軸を中心とする回転方向を画面表示する表示装置と、を備えたことを特徴とする。
上述した重心近傍は、重心を中心とする微小半径エリアを指し示すものとする。即ち、加速度検出部のX,Y,Z軸方向の3軸方向の加速度センサ自体が基板の中心部に重ねて配置することが現実にはできないため、センサ自体の誤差や球体の重心に配置される際の組み付けによる誤差が現実には発生していることを考慮している。
A typical means for solving the above-described problems has the following configuration.
A sphere that flies with rotation, an acceleration detection unit that detects acceleration in the three-axis directions of the X axis, the Y axis, and the Z axis that are provided at or near the center of gravity of the sphere, and 3 detected by the acceleration detection unit An acceleration detection device having a transmitter that amplifies an axial acceleration signal and wirelessly transmits the signal, and an acceleration signal that is transmitted wirelessly from the transmitter and that acts on the flying sphere is received by an analog receiver. -A receiving circuit for digital conversion and outputting as acceleration data; storing acceleration data output from the receiving circuit; and extracting an acceleration signal in three axis directions while the sphere is flying; From the time change of the frequency amplitude value at a predetermined time interval of the acceleration signal in the triaxial direction obtained by performing the continuous wavelet transform process after performing the pre-processing for removing the offset, the sphere An arithmetic processing unit that estimates a rotation speed and calculates a rotation axis position estimated from an amplitude ratio of the extracted acceleration signals in the three-axis directions, and a signal processing device that is calculated by the arithmetic processing unit And a display device that displays an estimated value of the rotation speed of the sphere and a rotation direction about the estimated rotation axis on the screen.
The vicinity of the center of gravity described above indicates a minute radius area centered on the center of gravity. In other words, since the acceleration sensor itself in the X, Y, and Z axis directions of the acceleration detecting unit cannot be placed on the center of the substrate in reality, it is placed at the error of the sensor itself or the center of gravity of the sphere. This takes into account the fact that errors due to assembly are actually occurring.

また、前記演算処理部は、球体が飛翔開始から飛翔終了までの間の所定時間内の加速度データから各データの平均値を除いたX,Y,Z軸方向の加速度成分を抽出し、合成加速度から最小二乗近似したものを引くことでオフセット分を除去する前処理を行なってから連続ウェーブレット変換処理を行うことにより、合成加速度の周波数振幅の時間変化から、球体の回転速度及びその時間変化を求めることを特徴とする。   In addition, the arithmetic processing unit extracts acceleration components in the X, Y, and Z-axis directions obtained by removing the average value of each data from acceleration data within a predetermined time from the start of flight to the end of flight of the sphere, and the combined acceleration By subtracting the least-square approximation from the pre-processing to remove the offset, and then performing the continuous wavelet transform process, the rotational speed of the sphere and its temporal change are obtained from the temporal change in the frequency amplitude of the resultant acceleration. It is characterized by that.

また、前記演算処理部は、前記抽出された3軸方向の加速度データの振幅比の時間変化から球体の回転軸を中心とする回転方向を推定することを特徴とする。
また、前記演算処理部は、球体の回転速度の推定値からマグナス力を推定して3軸方向の合成加速度の振幅値より差し引く演算処理を行なって空気抵抗力を推定し、推定された空気抵抗力より球速及びその時間変化を推定することを特徴とする。
In addition, the calculation processing unit is characterized in that a rotation direction centered on a rotation axis of a sphere is estimated from a temporal change in an amplitude ratio of the extracted acceleration data in the three-axis direction.
In addition, the arithmetic processing unit estimates an air resistance force by performing an arithmetic process of estimating a Magnus force from the estimated value of the rotational speed of the sphere and subtracting it from the amplitude value of the combined acceleration in the three-axis direction, The ball speed and its time change are estimated from force.

他の装置構成としては、回転を伴って飛翔する球体と、該球体の重心若しくは重心近傍に設けられX軸,Y軸,Z軸の3軸方向の加速度を検出する加速度検出部と、該加速度検出部により飛翔開始から飛翔終了するまでの間に検出された3軸方向の加速度信号を記憶する記憶部と、を備えた加速度検出装置と、前記記憶部に記憶された加速度信号を取り込んでアナログ‐デジタル変換して加速度データとして出力する信号変換部と、前記信号変換部から出力された加速度データを記憶するとともに前記球体が飛翔中の3軸方向の加速度信号を抽出し、3軸方向の合成加速度からオフセット分を除去する前処理を行なった後に連続ウェーブレット変換処理を行って得られた3軸方向の加速度信号の所定時間間隔における周波数振幅値の時間変化から球体の回転速度及びその時間変化を推定し、前記抽出された3軸方向の加速度信号の振幅比から推定される回転軸位置を算出する演算処理部と、を備えた信号処理装置と、前記演算処理部で算出された球体の回転速度の推定値並びに推定される回転軸を中心とする回転方向を画面表示する表示装置と、を備えたことを特徴とする。   Other device configurations include a sphere that flies with rotation, an acceleration detection unit that is provided at or near the center of gravity of the sphere, and detects accelerations in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions, and the acceleration An acceleration detection device comprising: a storage unit that stores acceleration signals in the three-axis directions detected between the start of flight and the end of flight by the detection unit; and an analog that takes in the acceleration signal stored in the storage unit -A signal converter for digital conversion and output as acceleration data; storing acceleration data output from the signal converter; and extracting acceleration signals in the three axis directions during the flight of the sphere; Time change of frequency amplitude value at a predetermined time interval of acceleration signals in three axes obtained by performing continuous wavelet transform after pre-processing to remove offset from acceleration A signal processing device comprising: an arithmetic processing unit that estimates a rotational speed of the sphere and its temporal change, and calculates a rotational axis position estimated from an amplitude ratio of the extracted acceleration signals in the three-axis directions; And a display device that displays an estimated value of the rotation speed of the sphere calculated by the arithmetic processing unit and a rotation direction centered on the estimated rotation axis on a screen.

また、球体の回転計測方法においては、回転を伴って飛翔する球体の飛翔開始から飛翔終了までに当該球体に発生する加速度を、前記球体の重心若しくは重心近傍に設けられたX軸,Y軸,Z軸の3軸方向の加速度検出部にて検出し、当該3軸方向の加速度信号を増幅して送信機より無線送信するステップと、前記3軸方向の加速度信号を受信機にて受信してアナログ‐デジタル変換して得られた3軸方向の加速度データを信号処理装置に記憶するステップと、前記信号処理装置の演算処理部が、前記3軸方向の加速度データから前記球体が飛翔中の3軸方向の加速度成分を抽出し、3軸方向の合成加速度からオフセット分を除去する前処理を行なった後に連続ウェーブレット変換処理を行って得られた3軸方向の加速度信号の所定時間間隔における周波数振幅値の時間変化から球体の回転速度及びその時間変化を推定し、前記抽出された3軸方向の加速度信号の振幅比から推定される回転軸位置を算出するステップと、前記加速度信号の周波数振幅値の時間変化より推定される球体の推定回転速度並びに抽出された3軸方向の加速度信号の振幅比から推定される回転軸を中心とする回転方向を表示装置に画面表示するステップと、を含むことを特徴とする。   Further, in the rotation measurement method of the sphere, the acceleration generated in the sphere from the start to the end of the flight of the sphere that flies with the rotation is expressed by the X axis, Y axis, Detecting by the Z axis triaxial acceleration detection unit, amplifying the triaxial acceleration signal and wirelessly transmitting from the transmitter, and receiving the triaxial acceleration signal by the receiver The step of storing the acceleration data in the three-axis direction obtained by analog-digital conversion in the signal processing device, and the arithmetic processing unit of the signal processing device are configured so that the sphere is flying from the acceleration data in the three-axis direction. A predetermined time interval of acceleration signals in the three-axis direction obtained by extracting the acceleration component in the axial direction and performing the pre-processing for removing the offset from the combined acceleration in the three-axis direction and then performing the continuous wavelet transform process. Estimating the rotational speed of the sphere and its temporal change from the time change of the frequency amplitude value in it, calculating the rotational axis position estimated from the amplitude ratio of the extracted acceleration signals in the three-axis directions, Displaying the estimated rotational speed of the sphere estimated from the time change of the frequency amplitude value and the rotational direction centered on the rotational axis estimated from the amplitude ratio of the extracted acceleration signals in the three-axis direction on a display device; It is characterized by including.

他の方法としては、回転を伴って飛翔する球体の飛翔開始から飛翔終了までに当該球体に発生する加速度を、前記球体の重心若しくは重心近傍に設けられたX軸,Y軸,Z軸の3軸方向の加速度検出部にて検出し、検出された3軸方向の加速度信号を記憶部に記憶するステップと、前記記憶部に記憶された3軸方向の加速度信号を信号処理装置に取り込んでアナログ‐デジタル変換し、演算処理部が前記3軸方向の加速度データから前記球体が飛翔中の3軸方向の加速度成分を抽出し、3軸方向の合成加速度からオフセット分を除去する前処理を行なった後に連続ウェーブレット変換処理を行って得られた3軸方向の加速度信号の所定時間間隔における周波数振幅値の時間変化から球体の回転速度及びその時間変化を推定し、前記抽出された3軸方向の加速度信号の振幅比から推定される回転軸位置を算出するステップと、前記加速度信号の周波数振幅値の時間変化より推定される球体の推定回転速度並びに3軸方向の加速度データの振幅比から推定される回転軸を中心とする回転方向を表示装置に画面表示するステップと、を含むことを特徴とする。   As another method, the acceleration generated in the sphere from the start of flight to the end of flight of the sphere flying with rotation can be determined by using the X-axis, Y-axis, and Z-axis provided at or near the center of gravity of the sphere. A step of storing in the storage unit the detected acceleration signal in the three-axis direction detected by the acceleration detection unit in the axial direction, and an analog signal obtained by fetching the acceleration signal in the three-axis direction stored in the storage unit into the signal processing device -Digital conversion is performed, and the arithmetic processing unit extracts the acceleration component in the three-axis direction during the flight of the sphere from the acceleration data in the three-axis direction, and performs pre-processing to remove the offset from the combined acceleration in the three-axis direction. The rotation speed of the sphere and its time change are estimated from the time change of the frequency amplitude value at a predetermined time interval of the acceleration signal in the triaxial direction obtained by performing the continuous wavelet transform process later, and the extracted A step of calculating a rotational axis position estimated from an amplitude ratio of the acceleration signal in the axial direction, an estimated rotational speed of the sphere estimated from a time change of the frequency amplitude value of the acceleration signal, and an amplitude ratio of the acceleration data in the three axial directions And a step of displaying on a display device a rotation direction centered on the rotation axis estimated from the above.

上記球体の回転計測装置及び方法によれば、加速度検出部は球体の重心若しくは重心近傍に設けられているので、当該球体が回転を伴って飛翔すると、X軸,Y軸,Z軸の3軸方向の加速度データが加速度検出部により検出され、検出された加速度データが送信機より無線送信される。この加速度データには、遠心力による加速度の影響を可及的に小さくして専ら空気抵抗力やマグナス力により検出される加速度データを収集することができる。尚、加速度検出部は球体の重心に配置するのが望ましいが、遠心力の影響を受けないようにするためには、センサ誤差や組み付け誤差を考慮すると重心近傍の微小半径エリアに設ける必要がある。
また、演算処理部は、加速度データから球体が飛翔中の3軸方向の加速度信号を抽出し、3軸方向の加速度信号の合成加速度信号からオフセット分を除去する前処理を行なってから、連続ウェーブレット変換処理を行って得られた周波数振幅値の時間変化から球体の回転速度及びその時間変化を推定し、抽出された3軸方向の加速度信号の振幅比から回転軸位置を推定する。これにより、簡易な方法で空気抵抗力やマグナス力による球体の回転速度や回転方向が推定できる。
また、表示装置は、演算処理部で算出された球体の回転速度の推定値並びに推定される回転軸を中心とする回転方向を画面表示するので、球の切れのよさを定量的にしかも視覚的に把握することができる。
According to the sphere rotation measuring apparatus and method, since the acceleration detecting unit is provided at or near the center of gravity of the sphere, when the sphere flies with rotation, three axes of X axis, Y axis, and Z axis Direction acceleration data is detected by the acceleration detector, and the detected acceleration data is wirelessly transmitted from the transmitter. In this acceleration data, it is possible to collect acceleration data exclusively detected by the air resistance force or the Magnus force while minimizing the influence of the acceleration due to the centrifugal force. The acceleration detector is preferably arranged at the center of gravity of the sphere, but in order to avoid the influence of centrifugal force, it is necessary to provide it in a minute radius area near the center of gravity in consideration of sensor errors and assembly errors. .
In addition, the arithmetic processing unit extracts the acceleration signal in the three-axis direction during the flight of the sphere from the acceleration data, performs pre-processing to remove the offset from the combined acceleration signal of the acceleration signal in the three-axis direction, and then performs the continuous wavelet. The rotational speed of the sphere and its time change are estimated from the time change of the frequency amplitude value obtained by performing the conversion process, and the rotation axis position is estimated from the amplitude ratio of the extracted acceleration signals in the three-axis directions. Thereby, the rotation speed and rotation direction of the sphere due to the air resistance force or the Magnus force can be estimated by a simple method.
Further, since the display device displays the estimated value of the rotation speed of the sphere calculated by the arithmetic processing unit and the rotation direction centered on the estimated rotation axis on the screen, the goodness of the sphere is quantitatively and visually confirmed. Can grasp.

演算処理部は、球体が飛翔開始から飛翔終了までの間の滞空時間内の加速度データを取り出して加速度の値が著しく大きくなる飛翔開始時と飛翔終了時を除くことで、測定の精度を高めることができ、各データの平均値を除いたX,Y,Z軸方向の加速度成分を抽出することで、オフセットの影響を小さくすることができる。
また、オフセット分を除去する前処理に続いて連続ウェーブレット変換処理を行って、3軸方向の加速度成分の所定時間内の周波数振幅値の時間変化を求めることにより、球体の回転速度及びその時間変化をより精細に分析して推定することができる。
また、演算処理部は、抽出された3軸方向の加速度データの振幅比の時間変化から球体の回転軸を中心とする回転方向を推定するので、球体の回転速度とともに球種に応じた回転方向も含めたデータ分析をおこなって、球種に応じた回転特性や球の切れのよさを検証することができる。
The arithmetic processing unit increases the measurement accuracy by taking out the acceleration data within the hover time from the start of flight to the end of flight and excluding the flight start and flight end when the acceleration value becomes extremely large By extracting acceleration components in the X, Y, and Z axis directions excluding the average value of each data, the influence of offset can be reduced.
In addition, by performing continuous wavelet transform processing following the pre-processing for removing the offset, the time change of the frequency amplitude value within a predetermined time of the acceleration component in the three-axis direction is obtained, and the rotational speed of the sphere and its time change Can be estimated with a finer analysis.
In addition, since the arithmetic processing unit estimates the rotation direction around the rotation axis of the sphere from the time change of the amplitude ratio of the extracted acceleration data in the three-axis direction, the rotation direction according to the sphere type together with the rotation speed of the sphere Can be verified by checking the rotation characteristics and the goodness of the sphere.

ボールの回転計測装置のブロック構成図である。It is a block block diagram of the rotation measurement apparatus of a ball. 軟式野球用ボールの断面図である。1 is a cross-sectional view of a soft baseball. 複素Morletウェーブレット波形図である。It is a complex Morlet wavelet waveform diagram. ジャイロセンサと加速度センサを内蔵したバレーボールの断面図である。It is sectional drawing of the volleyball which incorporated the gyro sensor and the acceleration sensor. バレーボールを投球し、投球から捕球までのボールに作用する加速度センサに検出された全加速度データを示すグラフ図である。It is a graph which shows the total acceleration data detected by the acceleration sensor which throws a volleyball and acts on the ball | bowl from pitching to catching. バレーボールを投球し、投球から捕球までのボールに作用するジャイロセンサに検出された全加速度データを示すグラフ図である。It is a graph which shows the total acceleration data detected by the gyro sensor which pitches a volleyball and acts on the ball | bowl from pitching to catching. X軸加速度データからオフセット分を除去する前処理前後のグラフ図である。It is a graph before and after the pre-processing which removes an offset part from X-axis acceleration data. 加速度センサからの前処理されたX軸加速度データを高速フーリエ変換処理した後のグラフ図である。It is a graph figure after carrying out the fast Fourier transformation process of the pre-processed X-axis acceleration data from an acceleration sensor. ジャイロセンサからの前処理されたX軸加速度データを高速フーリエ変換処理した後のグラフ図である。FIG. 7 is a graph after fast Fourier transform processing is performed on preprocessed X-axis acceleration data from the gyro sensor. 加速度センサからの前処理されたX軸加速度データを連続ウェーブレット変換処理した後のグラフ図である。It is a graph figure after carrying out the continuous wavelet transform process of the pre-processed X-axis acceleration data from an acceleration sensor. ジャイロセンサからの前処理されたX軸加速度データを連続ウェーブレット変換処理した後のグラフ図である。It is a graph figure after carrying out the continuous wavelet transform process of the pre-processed X-axis acceleration data from a gyro sensor. 軟式野球ボールを投球し、投球から捕球までのボールに作用する加速度センサに検出された全加速度データを示すグラフ図である。It is a graph which shows the total acceleration data detected by the acceleration sensor which pitches a soft-type baseball and acts on the ball | bowl from pitching to catching. 前処理されたX軸加速度データを高速フーリエ変換処理した後のグラフ図である。FIG. 6 is a graph after fast Fourier transform processing is performed on preprocessed X-axis acceleration data. 前処理されたX軸加速度データを連続ウェーブレット変換処理した後のグラフ図である。It is a graph figure after carrying out the continuous wavelet transform process of the pre-processed X-axis acceleration data. 連続ウェーブレット変換処理後の3軸方向の合成加速度データの振幅値の時間変化を示すグラフ図である。It is a graph which shows the time change of the amplitude value of the synthetic | combination acceleration data of a triaxial direction after a continuous wavelet transformation process. ボールの回転方向とボール作用する加速度の力学的解析図である。It is a mechanical analysis diagram of the rotation direction of the ball and the acceleration acting on the ball. ボールに発生するX´‐Y´座標系の合成加速度を示す波形説明図である。It is waveform explanatory drawing which shows the synthetic | combination acceleration of the X'-Y 'coordinate system which generate | occur | produces on a ball | bowl.

先ず、球体の回転計測装置のブロック構成について説明する。
以下では、球体として軟式野球用のボール1を例示して説明するものとし、投手がボール1を投げて捕手が捕球するまでにボール1の単位時間当たりの回転数若しくは回転速度及び回転方向を計測する場合について説明する。
First, the block configuration of the sphere rotation measuring device will be described.
In the following, the ball 1 for soft baseball will be described as an example of a sphere, and the number of rotations or the rotation speed and direction of rotation of the ball 1 per unit time until the pitcher throws the ball 1 and the catcher catches the ball. The case of measuring will be described.

図1において、加速度検出装置(センサ回路部)2は、回転を伴って飛翔するボール1(図2参照)と、該ボール1の重心O若しくは重心近傍に設けられX軸,Y軸,Z軸の3軸方向の加速度を検出する3軸加速度センサ(加速度検出部)3と、該3軸加速度センサ3により検出された3軸方向の加速度信号を増幅する増幅回路や増幅された加速度信号を無線送信する送信機4を備えている。
尚、重心近傍は、重心Oを中心とする微小半径エリアを指し示すものとする。即ち、3軸加速度センサ3が基板の中心部に実装されているとは限らないため、センサ自体の誤差やボール1の重心Oに配置される際の組み付けによる誤差が現実には発生していることを考慮している。
In FIG. 1, an acceleration detection device (sensor circuit unit) 2 includes a ball 1 (see FIG. 2) flying with rotation, and an X axis, a Y axis, and a Z axis provided at or near the center of gravity O of the ball 1. A three-axis acceleration sensor (acceleration detection unit) 3 that detects the acceleration in the three-axis direction, an amplifier circuit that amplifies the acceleration signal in the three-axis direction detected by the three-axis acceleration sensor 3, and the amplified acceleration signal wirelessly A transmitter 4 for transmission is provided.
Note that the vicinity of the center of gravity indicates a minute radius area centered on the center of gravity O. That is, since the three-axis acceleration sensor 3 is not always mounted at the center of the substrate, an error in the sensor itself or an error due to assembly when the ball 1 is placed at the center of gravity O is actually generated. Consider that.

図2において、ボール1は、異なるゴム材1a,1bが2層に積層されて球体に成形されている。このボール1の中空部に発泡材1cが埋め込まれその重心Oをくり抜いて3軸加速度センサ3が埋設されている。このボール1は、一例として軟式野球用のボール1を想定しているがバレーボールなど、競技が異なればボールの構造も異なるため他の組み付け構造であってもよい。   In FIG. 2, a ball 1 is formed into a sphere by laminating different rubber materials 1a and 1b in two layers. A foam 1c is embedded in the hollow portion of the ball 1, and the center of gravity O is cut out to embed a triaxial acceleration sensor 3. The ball 1 is assumed to be a soft baseball ball 1 as an example, but the structure of the ball may be different if the competition is different, such as volleyball.

受信回路部5は、送信機4より無線送信された飛翔中のボール1に作用した加速度信号を受信する受信機6と、受信機6が受信した加速度信号(アナログ信号)をアナログ‐デジタル変換して加速度データとして出力するA/D変換器7を備えている。   The receiving circuit unit 5 receives the acceleration signal applied to the flying ball 1 wirelessly transmitted from the transmitter 4 and analog-to-digital conversion of the acceleration signal (analog signal) received by the receiver 6. An A / D converter 7 for outputting as acceleration data is provided.

信号処理装置8は、A/D変換器7から出力された加速度データを記憶媒体(メモリ、ハードディスク等)に記憶する。信号処理装置8としては、パーソナルコンピュータ(PC)やDSP(Digital Signal Processor)が用いられる。
信号処理装置8は演算処理部9(例えばCPU,MPUなど)を備え、演算処理部9は加速度データからボール1が飛翔中の3軸方向の加速度信号を抽出し、3軸方向の合成加速度からオフセット分を除去する前処理を行なった後に周波数解析処理を行って得られた3軸方向の加速度信号の所定時間間隔における周波数振幅値の時間変化から球体の回転速度及びその時間変化を推定し、抽出された3軸方向の加速度信号の振幅比から回転軸位置を推定する。
The signal processing device 8 stores the acceleration data output from the A / D converter 7 in a storage medium (memory, hard disk, etc.). As the signal processing device 8, a personal computer (PC) or a DSP (Digital Signal Processor) is used.
The signal processing device 8 includes an arithmetic processing unit 9 (for example, a CPU, an MPU, etc.), and the arithmetic processing unit 9 extracts an acceleration signal in the three-axis direction during the flight of the ball 1 from the acceleration data, and calculates from the combined acceleration in the three-axis direction. The rotational speed of the sphere and its time change are estimated from the time change of the frequency amplitude value at a predetermined time interval of the triaxial acceleration signal obtained by performing the frequency analysis process after performing the preprocessing for removing the offset, The rotational axis position is estimated from the amplitude ratio of the extracted acceleration signals in the three-axis directions.

表示装置10は信号処理装置8の演算処理部9で算出されたボール1の単位時間当たりの回転数又は回転速度の推定値並びに回転軸を中心とする回転方向を画面表示する。表示装置10は、パーソナルコンピュータ(PC)に接続される液晶ディスプレイなどが用いられる。また、受信回路部5は、信号処理装置8に外部接続されていてもよいが、信号処理装置8に内蔵されてアンテナにより受信する構成でもよい。   The display device 10 displays on the screen the estimated number of rotations or rotation speed of the ball 1 calculated by the arithmetic processing unit 9 of the signal processing device 8 and the rotation direction around the rotation axis. The display device 10 is a liquid crystal display connected to a personal computer (PC). The receiving circuit unit 5 may be externally connected to the signal processing device 8, but may be configured to be received in the signal processing device 8 by an antenna.

また、演算処理部9は、ボール1が投球開始(飛翔開始)から捕球される(飛翔終了)までの間の所定飛翔時間内の加速度データを取り出して信号処理するので、加速度の値が著しく大きくなる飛翔開始時と飛翔終了時を除くことで、測定の精度を高めることができ、各データの平均値を除いたX,Y,Z軸方向の加速度成分を抽出することで、オフセットの影響を小さくすることができる。
演算処理部9は、上記オフセット分を除去された加速度データに連続ウェーブレット変換(CWT)処理を行って、3軸方向の加速度成分の所定時間間隔内の周波数振幅値の時間変化を観察することにより、より精細にボール1の回転速度(単位時間当たりの回転数)及びその時間変化が推定される。
Further, since the arithmetic processing unit 9 takes out the acceleration data within a predetermined flight time from when the ball 1 starts throwing (flying start) to when it is caught (flying end) and performs signal processing, the acceleration value is remarkably high. The accuracy of measurement can be improved by excluding the time when the flight starts to increase and the time when the flight ends, and the influence of offset can be obtained by extracting acceleration components in the X, Y, and Z axis directions excluding the average value of each data. Can be reduced.
The arithmetic processing unit 9 performs a continuous wavelet transform (CWT) process on the acceleration data from which the offset has been removed, and observes temporal changes in frequency amplitude values within a predetermined time interval of acceleration components in the three-axis directions. Thus, the rotation speed (the number of rotations per unit time) of the ball 1 and its change with time are estimated more finely.

また、演算処理部9は、抽出された3軸方向の加速度データの振幅比から推定される回転軸ベクトルの方向を演算し、当該回転軸ベクトルを中心とした回転方向を推定する。これにより、回転数若しくは回転速度とともに球種に応じた回転方向も含めたデータ分析をおこなって、球種に応じた回転特性や球の切れのよさを検証することができる。   The arithmetic processing unit 9 calculates the direction of the rotation axis vector estimated from the amplitude ratio of the extracted acceleration data in the three axis directions, and estimates the rotation direction around the rotation axis vector. Thereby, the data analysis including the rotation direction according to the ball type together with the rotation speed or the rotation speed can be performed, and the rotation characteristics according to the ball type and the goodness of the sphere can be verified.

ここでフーリエ変換とウェーブレット変換の相違の概要について説明する。フーリエ変換では定常の信号を様々な周波数の正弦波に分解し、信号の周波数のみの解析を行なうが、周波数の時間的変化を知ることはできない。これに対して、ウェーブレット変換ではマザーウェーブレットと呼ばれる基本的な関数を拡大縮小させることにより信号の時間−周波数両面での解析が可能である。よって、周波数が時間変化するような非定常的な信号を解析する場合に有効な解析方法である。飛翔するボールの回転速度は一定ではなく空気抵抗力やマグナス力などの影響により変動すると考えられるため、ウェーブレット変換は有効な解析方法であると思料される。連続ウェーブレット変換は、解析対象である信号f(t)とマザーウェーブレットφ(t)によって(数式1)に示す式で定義される。
(数式1)

Figure 2012058066
ここで、aはスケールパラメータであり、マザーウェーブレットφ(t)の拡大縮小の比率を決定する正の実数である。また、bはシフトパラメータでありマザーウェーブレットφ(t)の時間方向へのシフト量を示す正の実数である。また、1/a(1/2)は正規化するための係数である。本実施形態では、マザーウェーブレットφ(t)として(数式2)に示す複素Morletウェーブレットを使用した。
(数式2)
Figure 2012058066
ここでfは中心周波数、fcは帯域幅である。複素Morletウェーブレットの外形を図3に示す。 Here, an outline of the difference between the Fourier transform and the wavelet transform will be described. In Fourier transform, a stationary signal is decomposed into sinusoidal waves of various frequencies, and only the frequency of the signal is analyzed, but the temporal change of the frequency cannot be known. On the other hand, in the wavelet transform, it is possible to analyze the signal in both time and frequency by scaling up and down a basic function called mother wavelet. Therefore, this is an effective analysis method when analyzing an unsteady signal whose frequency changes with time. Since the rotation speed of the flying ball is not constant and is considered to fluctuate due to the influence of air resistance force or Magnus force, the wavelet transform is considered to be an effective analysis method. The continuous wavelet transform is defined by the equation shown in (Equation 1) by the signal f (t) to be analyzed and the mother wavelet φ (t).
(Formula 1)
Figure 2012058066
Here, a is a scale parameter, which is a positive real number that determines the scaling ratio of the mother wavelet φ (t). Further, b is a shift parameter, which is a positive real number indicating the shift amount of the mother wavelet φ (t) in the time direction. 1 / a (1/2) is a coefficient for normalization. In this embodiment, the complex Morlet wavelet shown in (Formula 2) is used as the mother wavelet φ (t).
(Formula 2)
Figure 2012058066
Here f b is the center frequency, fc is the bandwidth. The outline of the complex Morlet wavelet is shown in FIG.

以下では、本実施形態の球体の回転計測装置及び方法を用いてボール1の単位時間当たりの回転数(回転速度)を計測した実験結果について、図4乃至図15を参照しながら説明する。
実験では、真の値と加速度センサによるデータとの比較する必要性から、図4に示すように、バレーボール1の中心付近に加速度センサ及びジャイロセンサを埋め込んで計測結果を対比した。
バレーボールはモルテン株式会社製の5号検定球を用い、加速度センサとジャイロセンサはマイクロストーン社製の8ch無線6軸モーションレコーダと高容量3軸ジャイロセンサを無線式に改良して使用した。8ch無線6軸モーションレコーダには3軸加速度センサ及び送信機1eと3軸ジャイロセンサ1fの3つが内蔵されているが、内蔵ジャイロセンサは角速度の検出範囲が狭く今回の実験では必要な要求を満たさなかった。そこで、内蔵ジャイロセンサは使用せず、高容量3軸ジャイロセンサ1fをモーションレコーダに外部接続して使用した。そして加速度信号と角速度信号を無線でサンプリング時間5[msec]パーソナルコンピュータに送信した。実験装置は、図4に示すように、センサとボールのほかに発砲材1cと100×70×40[mm]のプラスチックケース1dによって構成され、半分に切断されたボールの中に発砲スチロールを詰め、2つのセンサを入れたプラスチックケース1dを固定した。
Hereinafter, experimental results of measuring the number of rotations (rotational speed) of the ball 1 using the sphere rotation measuring apparatus and method of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 4 to 15.
In the experiment, due to the necessity of comparing the true value with the data from the acceleration sensor, the acceleration sensor and the gyro sensor were embedded in the vicinity of the center of the volleyball 1 as shown in FIG.
Volleyball used a No. 5 test ball manufactured by Molten Co., Ltd., and the acceleration sensor and the gyro sensor used an 8-channel wireless 6-axis motion recorder and a high-capacity 3-axis gyro sensor manufactured by Microstone in a wireless manner. The 8ch wireless 6-axis motion recorder has three built-in three-axis acceleration sensor and transmitter 1e and three-axis gyro sensor 1f, but the built-in gyro sensor has a narrow angular velocity detection range and meets the requirements required in this experiment. There wasn't. Therefore, the built-in gyro sensor was not used, and the high-capacity three-axis gyro sensor 1f was used by being externally connected to the motion recorder. Then, the acceleration signal and the angular velocity signal were wirelessly transmitted to a personal computer with a sampling time of 5 [msec]. As shown in FIG. 4, in addition to the sensor and the ball, the experimental apparatus is composed of a foam material 1c and a plastic case 1d of 100 × 70 × 40 [mm], and the foamed polystyrene is packed in the ball cut in half. A plastic case 1d containing two sensors was fixed.

投球実験は、投手と捕手との間に約7mの距離を設けて投球実験を行なった。投球は図15に示すストレートを意識して投球した。このときの加速度信号を図5に示し、ジャイロセンサの角速度信号を図6に示す。
図5に示すX,Y軸加速度信号は一定のオフセットを持つ正弦波信号として計測される。また、Z軸加速度信号がほとんど振動していないことからZ軸付近を回転軸として回転したと考えられる。これは、図6において、Z軸角速度がX,Y軸角速度と比べて大きな値を示していることから読みとれる。
The pitching experiment was conducted with a distance of about 7 m between the pitcher and the catcher. The pitch was made with the straight shown in FIG. 15 in mind. FIG. 5 shows the acceleration signal at this time, and FIG. 6 shows the angular velocity signal of the gyro sensor.
The X and Y axis acceleration signals shown in FIG. 5 are measured as sinusoidal signals having a certain offset. Further, since the Z-axis acceleration signal hardly vibrates, it is considered that the Z-axis acceleration signal has rotated around the Z-axis. This can be seen in FIG. 6 because the Z-axis angular velocity is larger than the X and Y-axis angular velocities.

次に周波数解析を行なうために、これらの加速度信号データからボールが滞空中のデータを抽出する。投球直前と捕球直後は加速度が急激に変化していることが分かる。このことから、加速度の微分値を利用し、投球開始時と捕球直後を判別した。先ず、測定データを前半と後半に分割する。次に前半部分ではX,Y,Z軸加速度それぞれについて加速度の微分値が最大、最小となる時刻を求め、その中で最も遅い時刻を投球開示時とする。また後半部分についても同様の方法で捕球時を特定する。
次に投球時の50[ms]後から捕球時の50[ms]前のデータを抽出し、この計170点のデータを使用して周波数解析を行なった。
Next, in order to perform frequency analysis, data in which the ball is in the air is extracted from these acceleration signal data. It can be seen that the acceleration changes abruptly immediately before throwing and immediately after catching. From this, the differential value of acceleration was used to discriminate between the start of pitching and immediately after catching. First, the measurement data is divided into the first half and the second half. Next, in the first half, the time at which the differential value of acceleration is maximum and minimum is obtained for each of the X, Y, and Z-axis accelerations, and the latest time is set as the time of pitching disclosure. In the second half, the time of catching is specified in the same way.
Next, data after 50 [ms] at the time of throwing and before 50 [ms] at the time of catching were extracted, and frequency analysis was performed using the data of 170 points in total.

また、加速度データにオフセット信号が含まれていると、オフセットによる低周波の影響で周波数解析が困難となる。そこでオフセットを除去する前処理を行なう。この前処理としては、滞空中のボールの加速度データを最小二乗近似し、その近似データをもとの加速度データから引くことによってオフセット信号を除去する。更に、カットオフ周波数100[Hz]の二次ローパスフィルタを通した信号を求める。X軸加速度に対して上記前処理を施したデータを図7に示す。図7において、破線波形はX軸加速度、黒実線がX軸加速度を最小二乗近似したもの、黒実線波形がオフセット除去後のX軸加速度である。   In addition, if the acceleration data includes an offset signal, frequency analysis becomes difficult due to the influence of the low frequency due to the offset. Therefore, preprocessing for removing the offset is performed. As this preprocessing, the acceleration data of the ball in the air is approximated by least squares, and the offset signal is removed by subtracting the approximate data from the original acceleration data. Further, a signal passing through a secondary low-pass filter having a cutoff frequency of 100 [Hz] is obtained. FIG. 7 shows data obtained by performing the above preprocessing on the X-axis acceleration. In FIG. 7, the broken line waveform is the X-axis acceleration, the black solid line is the X-axis acceleration approximated to the least square, and the black solid line waveform is the X-axis acceleration after offset removal.

次に、前処理が行われた加速信号に対して高速フーリエ変換(FFT)処理と連続ウェーブレット変換(CWT)処理を行って、回転速度を求め、ジャイロセンサから得られた回転速度と比較して有効性の検証を行う。ここで、ジャイロセンサから得られた回転速度とは、ジャイロセンサのX,Y,Z軸回転速度を合成した回転軸周りの回転速度のことを言う。   Next, a fast Fourier transform (FFT) process and a continuous wavelet transform (CWT) process are performed on the acceleration signal that has been preprocessed to obtain a rotational speed, and compared with the rotational speed obtained from the gyro sensor. Validity is verified. Here, the rotational speed obtained from the gyro sensor means a rotational speed around the rotational axis obtained by synthesizing the X, Y, and Z-axis rotational speeds of the gyro sensor.

先ず高速フーリエ変換(FFT)処理を行なって回転速度を求める。高速フーリエ変換処理を行なう際のデータ数は2のべき乗である必要があるため、170点のデータの後に0を86点追加して計256点(2)のデータに対してFFTを適用する。X軸加速度信号にFFTを適用した結果を図8に示す。尚、FFT処理は、オフセット信号の影響を小さくするため加速度信号の平均値を除いた脈動する加速度信号に対して行ない、ハミング窓を用いた窓処理をおこなった。
図8のスペクトルピーク値から求められた回転速度と、ジャイロセンサから得られた回転速度図9に示す。図9よりFFTによってほぼ正しいボールの回転速度が求められていることが確認できる。
しかし僅かながら偏差が生じている。この偏差が生じた原因としては、解析するデータが1秒に満たないため、周波数分解能が低くなってしまったことが考えられる。一方、ジャイロセンサから得られた回転速度は振動しながらも0.4[s]付近から微妙に減少している。高速フーリエ変換では時間情報が失われるため、回転速度は時刻によらず一定な値を示しており、回転速度変化の推定は難しい。
First, a fast Fourier transform (FFT) process is performed to obtain a rotation speed. Since the number of data when performing the fast Fourier transform processing needs to be a power of two, 86 points are added after 170 points of data, and FFT is applied to data of a total of 256 points (2 8 ). . The result of applying FFT to the X-axis acceleration signal is shown in FIG. The FFT processing was performed on the pulsating acceleration signal excluding the average value of the acceleration signal in order to reduce the influence of the offset signal, and the window processing using the Hamming window was performed.
The rotational speed obtained from the spectrum peak value in FIG. 8 and the rotational speed obtained from the gyro sensor are shown in FIG. From FIG. 9, it can be confirmed that an almost correct rotation speed of the ball is obtained by FFT.
However, there is a slight deviation. The cause of this deviation may be that the frequency resolution is low because the data to be analyzed is less than one second. On the other hand, the rotational speed obtained from the gyro sensor slightly decreases from around 0.4 [s] while vibrating. Since time information is lost in the fast Fourier transform, the rotational speed shows a constant value regardless of the time, and it is difficult to estimate the rotational speed change.

次に連続ウェーブレット変換処理により回転速度を求める。回転速度の推定にはオフライン処理によりMathWorks社のMATLABのWavelet Tool BoxのCWTコマンドを使用した。X軸加速度信号にCWTを適用した結果を図10に示す。ここで、横軸は時間[s]、縦軸は回転速度[rps]、色の濃淡はスペクトル値の強度を表している。図10より約7[rps]付近でスペクトル値が大きくなっていることが分かる。図10のスペクトルのピーク値から求めた回転速度とジャイロセンサから得られた回転速度を図11に示す。図11に示すように、連続ウェーブレット変換(CWT)においてもボールの回転速度が求められていることが確認できる。また、CWTでは時間周波数解析が可能であるため、FFTでは求められなかった周波数の時間変化も求められる。図10において、多少振動的ではあるものの回転速度の微妙な変化(減少)を求められることが分かる。よって、ボールの回転速度を時間変化とともにより精細に推定することが可能になる。また、CWT変換によりボールの回転速度の平均値を表示することができるうえに、投球開始直後の初速と捕球直前の終速を各々表示することも可能になる。   Next, the rotation speed is obtained by continuous wavelet transform processing. The CWT command of MATLAB's Wavelet Tool Box of MathWorks was used for the estimation of rotation speed by offline processing. The result of applying CWT to the X-axis acceleration signal is shown in FIG. Here, the horizontal axis represents time [s], the vertical axis represents the rotation speed [rps], and the color shading represents the intensity of the spectrum value. It can be seen from FIG. 10 that the spectrum value increases in the vicinity of about 7 [rps]. FIG. 11 shows the rotational speed obtained from the peak value of the spectrum in FIG. 10 and the rotational speed obtained from the gyro sensor. As shown in FIG. 11, it can be confirmed that the rotational speed of the ball is also obtained in continuous wavelet transform (CWT). In addition, since time frequency analysis is possible with CWT, a time change in frequency that was not obtained with FFT is also obtained. In FIG. 10, it can be seen that a slight change (decrease) in the rotational speed is required although it is somewhat vibrational. Therefore, it becomes possible to estimate the rotation speed of the ball more precisely with time. In addition, the average value of the rotation speed of the ball can be displayed by CWT conversion, and the initial speed immediately after the start of pitching and the final speed immediately before the catch can be displayed.

次に、野球ボールに加速度センサを搭載して投球実験を行なって回転速度の推定実験を行なった。
ボール1は、軟式野球用B級マルエスボール(ダイワマルエス株式会社製)を用い、3軸加速度センサ3として、ワイヤレステクノロジー社製のワイヤレス3軸加速度センサを用いた。3軸加速度センサ3は図2に示すように、ボール1を2分割して中空部に発泡材1cを詰めて重心O付近へ組み込んだ。センサ回路部2からは5[ms]間隔サンプリングを行なって加速度信号が信号処理装置8へ送信される。投球実験は、投手と捕手が約10[m]程度の距離をとって投球を行なった。このとき、ボール1の球種はストレートを意識して投球した。このとき測定されたX,Y,Z軸の3軸方向の加速度データ図12に示す。
更にバレーボールを用いた投球実験と同様に滞空中の加速度信号データを抽出し、オフセット分を除去する前処理が行われた加速信号に対して高速フーリエ変換(FFT)処理と連続ウェーブレット変換(CWT)処理を各々行って、回転速度を推定した。
Next, a baseball ball was equipped with an acceleration sensor and a pitching experiment was conducted to estimate the rotational speed.
As the ball 1, a soft baseball class B mars ball (manufactured by Daiwa Mares Co., Ltd.) was used, and as the triaxial acceleration sensor 3, a wireless triaxial acceleration sensor manufactured by Wireless Technology was used. As shown in FIG. 2, the triaxial acceleration sensor 3 divides the ball 1 into two parts and fills the hollow portion with the foam material 1 c and incorporates it in the vicinity of the center of gravity O. From the sensor circuit unit 2, sampling is performed at intervals of 5 [ms], and an acceleration signal is transmitted to the signal processing device 8. In the pitching experiment, the pitcher and the catcher pitched at a distance of about 10 [m]. At this time, the ball type of the ball 1 was thrown in consideration of straightness. FIG. 12 shows acceleration data in the three-axis directions of the X, Y, and Z axes measured at this time.
Furthermore, acceleration signal data in the air is extracted in the same manner as in a pitching experiment using volleyball, and fast Fourier transform (FFT) processing and continuous wavelet transform (CWT) are performed on the acceleration signal that has been preprocessed to remove the offset. Each process was performed to estimate the rotational speed.

図13にX軸加速度信号の連続ウェーブレット変換(CWT)によって求められた回転速度を示す。更に図13のスペクトルの最大値から求めた回転速度と高速フーリエ変換(FFT)によって求められた回転速度を図14に示す。図14よりボールは約13[rps]の回転速度で回転していることが分かる。   FIG. 13 shows the rotational speed obtained by continuous wavelet transform (CWT) of the X-axis acceleration signal. Furthermore, the rotational speed obtained from the maximum value of the spectrum of FIG. 13 and the rotational speed obtained by fast Fourier transform (FFT) are shown in FIG. FIG. 14 shows that the ball is rotating at a rotational speed of about 13 [rps].

図15は連続ウェーブレット変換後の3軸加速度信号の合成加速度の振幅値の時間変化を示す。加速度信号の振幅値は、空気抵抗力とマグナス効果によるマグナス力との合成により得られる。マグナス力は球体の回転速度に依存し、空気抵抗力は球体の進行方向速度(球速)に依存するという相関関係を有する。図15では3軸加速度の合成加速度の振幅値が時間変化とともに減少しているがこれは空気抵抗力とマグナス力が減少した結果である。マグナス力は球体の回転速度から推定可能であり、振幅値からその力を差し引くと空気抵抗力となる。空気抵抗力は球速に対応するので、結果として球速が推定できる。さらに、振幅値の時間変化は球速の時間変化にも関連しており、マグナス効果による力成分を補正すれば球速の時間変化が推定できる。よって、スピードガンでは平均的な球速値しか計測できないのに対して、この方法の応用では加速度信号の振幅値から球速及び球速の時間的変化を推定することができる。具体的には、図1のブロック構成図において、演算処理部9は、球体の回転速度の推定値からマグナス力を推定して3軸方向の合成加速度の振幅値より差し引く演算処理を行なって空気抵抗力を推定し、推定された空気抵抗力より球速及びその時間変化を推定できる。   FIG. 15 shows the time change of the amplitude value of the combined acceleration of the triaxial acceleration signal after the continuous wavelet transform. The amplitude value of the acceleration signal is obtained by combining the air resistance force and the Magnus force due to the Magnus effect. There is a correlation that the Magnus force depends on the rotational speed of the sphere, and the air resistance force depends on the traveling direction speed (spherical speed) of the sphere. In FIG. 15, the amplitude value of the combined acceleration of the three-axis acceleration decreases with time, which is a result of the decrease in the air resistance force and the Magnus force. The Magnus force can be estimated from the rotational speed of the sphere, and when the force is subtracted from the amplitude value, it becomes an air resistance force. Since the air resistance corresponds to the ball speed, the ball speed can be estimated as a result. Furthermore, the time change of the amplitude value is also related to the time change of the ball speed, and if the force component due to the Magnus effect is corrected, the time change of the ball speed can be estimated. Therefore, while only an average ball speed value can be measured with a speed gun, the application of this method can estimate the ball speed and the temporal change of the ball speed from the amplitude value of the acceleration signal. Specifically, in the block configuration diagram of FIG. 1, the arithmetic processing unit 9 performs arithmetic processing to estimate the Magnus force from the estimated value of the rotational speed of the sphere and subtract it from the amplitude value of the resultant acceleration in the three-axis direction. The resistance force can be estimated, and the ball speed and its time change can be estimated from the estimated air resistance force.

以上説明したように、実施形態に説明した球体の回転計測装置及び方法を用いれば、球体が回転を伴って飛翔すると、X軸,Y軸,Z軸の3軸方向の加速度信号が加速度検出装置(センサ回路部)2により時々刻々検出され、検出された加速度信号は送信機4より無線送信される。この加速度データには、遠心力による加速度の影響を可及的に小さくして専ら空気抵抗力やマグナス力により検出される加速度信号を収集することができる。
また、信号処理装置8において加速度信号を受信しA/D変換して得られた加速度データは、演算処理部9においてボール1が飛翔中の3軸方向の加速度信号を抽出し、3軸方向の加速度信号の合成加速度信号からオフセット分を除去する前処理を行なってから、連続ウェーブレット変換処理を行って得られた周波数振幅値の時間変化からボール1の回転速度(単位時間当たりの回転数)及びその時間変化を推定し、抽出された3軸方向の加速度信号の振幅比から回転軸位置を推定する。これにより、空気抵抗力やマグナス力によるボール1に作用する加速度の周波数変化を周波数解析として高速フーリエ変換(FFT)よりも連続ウェーブレット変換を用いることで、より高精度にボール1の回転速度及びその時間変化を推定することができる。
また、演算処理部9は、球体の回転方向は、抽出された3軸方向の加速度データの振幅比から回転軸を中心とした回転方向を推定して表示装置10に表示するので、回転速度とともに球種に応じた回転方向も含めたデータ分析をおこなって、球種に応じた回転特性や球の切れのよさを検証することができる。
As described above, when the sphere rotation measuring device and method described in the embodiment are used, when the sphere flies with rotation, acceleration signals in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions are detected by the acceleration detection device. (Sensor circuit unit) 2 is detected moment by moment, and the detected acceleration signal is wirelessly transmitted from the transmitter 4. In this acceleration data, it is possible to collect acceleration signals detected exclusively by the air resistance force or the Magnus force while minimizing the influence of the acceleration due to the centrifugal force.
Further, the acceleration data obtained by receiving the acceleration signal by the signal processing device 8 and A / D converting the acceleration data in the three-axis direction during the flight of the ball 1 by the arithmetic processing unit 9 and extracting the three-axis direction acceleration signal. From the time change of the frequency amplitude value obtained by performing the continuous wavelet transform process after performing the pre-processing for removing the offset from the synthesized acceleration signal of the acceleration signal, the rotation speed of the ball 1 (the number of rotations per unit time) and The time change is estimated, and the rotation axis position is estimated from the amplitude ratio of the extracted acceleration signals in the three-axis directions. Thus, by using continuous wavelet transform rather than fast Fourier transform (FFT) as a frequency analysis for the frequency change of acceleration acting on the ball 1 due to air resistance force or Magnus force, the rotational speed of the ball 1 and its Time change can be estimated.
In addition, the arithmetic processing unit 9 estimates the rotation direction around the rotation axis from the amplitude ratio of the extracted acceleration data in the three-axis direction and displays the rotation direction on the display device 10. Data analysis including the rotation direction according to the sphere type can be performed to verify the rotation characteristics and the goodness of the sphere according to the sphere type.

次に球体の回転計測装置及び方法の他例について説明する。
回転計測装置の概略構成は、前述した装置構成と同様であり、異なる点を中心に説明する。ボール1にデータ記憶装置(記憶部)を内蔵しておき、加速度センサ3により飛翔開始から飛翔終了するまでの間に検出された3軸方向の加速度信号をデータ記憶装置に記憶するようにしてもよい。データ記憶装置としては、例えばフラッシュメモリ等が用いられる。上記データ記憶装置に記憶されたデータは、増幅されて一括して送信機4により信号処理装置8へ無線送信されてもよいし、或いは接続端子を設けて有線送信により信号処理装置8へ取り込んでもよい。有線通信による場合には、送信機4と受信機6の無線通信可能な範囲にとらわれずに、任意の距離で飛翔中の球体の回転計測を行なうことができる。
Next, another example of the sphere rotation measuring apparatus and method will be described.
The schematic configuration of the rotation measuring device is the same as the above-described device configuration, and different points will be mainly described. A data storage device (storage unit) is built in the ball 1, and acceleration signals in the three-axis directions detected from the start of flight to the end of flight by the acceleration sensor 3 are stored in the data storage device. Good. For example, a flash memory or the like is used as the data storage device. The data stored in the data storage device may be amplified and collectively transmitted to the signal processing device 8 by the transmitter 4 or may be taken into the signal processing device 8 by wire transmission by providing a connection terminal. Good. In the case of wired communication, it is possible to measure the rotation of a flying sphere at an arbitrary distance without being limited to the range in which the transmitter 4 and the receiver 6 can perform wireless communication.

上記データ記憶装置に記憶された3軸方向の加速度信号を取り込んで信号変換部でアナログ‐デジタル変換して得られた3軸方向の加速度データは、信号処理装置8に記憶される。また、信号処理装置8の演算処理部9は、3軸方向の加速度データからボール1が飛翔中の3軸方向の加速度成分を抽出し、3軸方向の合成加速度からオフセット分を除去する前処理を行なった後に周波数解析処理(連続ウェーブレット変換処理)を行って得られた3軸方向の加速度信号の所定時間間隔における周波数振幅値の時間変化から球体の回転速度及びその時間変化を推定する点や、抽出された3軸方向の合成加速度信号の振幅比から推定される回転軸を中心とする回転方向を表示装置に画面表示する点は前述した実施形態と同様である。   The triaxial acceleration data obtained by taking the triaxial acceleration signal stored in the data storage device and performing analog-digital conversion in the signal conversion unit is stored in the signal processing device 8. In addition, the arithmetic processing unit 9 of the signal processing device 8 extracts the acceleration component in the three-axis direction during the flight of the ball 1 from the acceleration data in the three-axis direction, and removes the offset from the combined acceleration in the three-axis direction. To estimate the rotational speed of the sphere and its time change from the time change of the frequency amplitude value at a predetermined time interval of the triaxial acceleration signal obtained by performing frequency analysis processing (continuous wavelet transform processing) after The point that the rotation direction centering on the rotation axis estimated from the amplitude ratio of the extracted combined acceleration signal in the three-axis direction is displayed on the display device is the same as in the above-described embodiment.

以上の実施形態はバレーボール、軟式野球のボールの回転計測について説明したが、公式野球のボールや、ソフトボール、サッカーボール、テニスボールなどの他の球技に使用される球体の回転計測に応用することも可能である。   Although the above embodiment explained rotation measurement of a volleyball and a soft baseball, it applies to rotation measurement of a sphere used for other ball games, such as an official baseball, a softball, a soccer ball, and a tennis ball. Is also possible.

1 ボール
1a,1b ゴム材
1c 発泡材
1d プラスチックケース
1e 3軸加速度センサ及び送信機
1f 3軸ジャイロセンサ
2 加速度検出装置(センサ回路部)
3 3軸加速度センサ
4 送信機
5 受信回路部
6 受信機
7 A/D変換器
8 信号処理装置
9 演算処理部
10 表示装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ball 1a, 1b Rubber material 1c Foam material 1d Plastic case 1e 3-axis acceleration sensor and transmitter 1f 3-axis gyro sensor 2 Acceleration detection apparatus (sensor circuit part)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 3-axis acceleration sensor 4 Transmitter 5 Reception circuit part 6 Receiver 7 A / D converter 8 Signal processing apparatus 9 Arithmetic processing part 10 Display apparatus

Claims (7)

回転を伴って飛翔する球体と、該球体の重心若しくは重心近傍に設けられX軸,Y軸,Z軸の3軸の加速度を検出する加速度検出部と、該加速度検出部により検出された3軸の加速度信号を増幅して無線送信する送信機とを備えた加速度検出装置と、
前記送信機より無線送信された飛翔中の前記球体に作用した加速度信号を受信機にて受信してアナログ‐デジタル変換して加速度データとして出力する受信回路と、
前記受信回路から出力された加速度データを記憶するとともに前記球体が飛翔中の3軸方向の加速度信号を抽出し、3軸方向の合成加速度からオフセット分を除去する前処理を行なった後に連続ウェーブレット変換処理を行って得られた3軸方向の加速度信号の所定時間間隔における周波数振幅値の時間変化から球体の回転速度を推定し、前記3軸方向の加速度信号の振幅比から推定される回転軸位置を算出する演算処理部と、を備えた信号処理装置と、
前記演算処理部で算出された球体の回転速度の推定値並びに推定される回転軸を中心とする回転方向を画面表示する表示装置と、を備えたことを特徴とする球体の回転計測装置。
A sphere that flies with rotation, an acceleration detection unit that detects acceleration in the three axes of the X axis, the Y axis, and the Z axis that is provided at or near the center of gravity of the sphere, and the three axes that are detected by the acceleration detection unit An acceleration detection device comprising a transmitter for amplifying and wirelessly transmitting the acceleration signal of
A receiving circuit that receives the acceleration signal acting on the sphere in flight wirelessly transmitted from the transmitter, and converts the analog signal into analog data and outputs it as acceleration data;
Continuous wavelet transform after storing acceleration data output from the receiving circuit and extracting an acceleration signal in the three-axis direction during the flight of the sphere and removing an offset from the combined acceleration in the three-axis direction The rotational speed of the sphere is estimated from the time change of the frequency amplitude value at a predetermined time interval of the acceleration signal in the triaxial direction obtained by performing the processing, and is estimated from the amplitude ratio of the acceleration signal in the triaxial direction. A signal processing device comprising an arithmetic processing unit for calculating
An apparatus for measuring rotation of a sphere, comprising: a display device that displays an estimated value of the rotation speed of the sphere calculated by the arithmetic processing unit and a rotation direction centered on the estimated rotation axis.
前記演算処理部は、球体が飛翔開始から飛翔終了までの間の所定時間内の加速度データから各データの平均値を除いたX,Y,Z軸方向の加速度成分を抽出し、合成加速度から最小二乗近似したものを引くことでオフセット分を除去する前処理を行なってから連続ウェーブレット変換処理を行うことにより、合成加速度の周波数振幅値の時間変化から、球体の回転速度及びその時間変化を求める請求項1記載の球体の回転計測装置。   The arithmetic processing unit extracts an acceleration component in the X, Y, and Z axis directions excluding an average value of each data from acceleration data within a predetermined time from the start of flight of the sphere to the end of flight, and minimizes it from the synthesized acceleration. A request to determine the rotational speed of the sphere and its time change from the time change of the frequency amplitude value of the synthesized acceleration by performing the pre-processing to remove the offset by subtracting the square approximation and performing the continuous wavelet transform process Item 1. A spherical rotation measuring device according to Item 1. 前記演算処理部は、前記抽出された3軸方向の加速度データの振幅比の時間変化から球体の回転軸を中心とする回転方向を推定する請求項1又は請求項2に記載の球体の回転計測装置。   3. The sphere rotation measurement according to claim 1, wherein the arithmetic processing unit estimates a rotation direction around the rotation axis of the sphere from a temporal change in the amplitude ratio of the extracted acceleration data in the three-axis directions. apparatus. 前記演算処理部は、球体の回転速度の推定値からマグナス力を推定して3軸方向の合成加速度の振幅値より差し引く演算処理を行なって空気抵抗力を推定し、推定された空気抵抗力より球速及びその時間変化を推定する請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の球体の回転計測装置。   The arithmetic processing unit estimates an air resistance force by performing an arithmetic process of estimating a Magnus force from an estimated value of a rotational speed of a sphere and subtracting it from an amplitude value of a combined acceleration in three axis directions. From the estimated air resistance force The sphere rotation measuring device according to any one of claims 1 to 3, which estimates a ball speed and a temporal change thereof. 回転を伴って飛翔する球体の飛翔開始から飛翔終了までに当該球体に発生する加速度を、前記球体の重心若しくは重心近傍に設けられたX軸,Y軸,Z軸の3軸方向の加速度検出部にて検出し、当該3軸方向の加速度信号を増幅して送信機より無線送信するステップと、
前記3軸方向の加速度信号を受信機にて受信してアナログ‐デジタル変換して得られた3軸方向の加速度データを信号処理装置に記憶するステップと、
前記信号処理装置の演算処理部が、前記3軸方向の加速度データから前記球体が飛翔中の3軸方向の加速度成分を抽出し、3軸方向の合成加速度からオフセット分を除去する前処理を行なった後に連続ウェーブレット変換処理を行って得られた3軸方向の加速度信号の所定時間間隔における周波数振幅値の時間変化から球体の回転速度及びその時間変化を推定し、前記抽出された3軸方向の加速度信号の振幅比から推定される回転軸位置を算出するステップと、
前記加速度信号の周波数より推測される球体の推定回転速度並びに抽出された3軸方向の加速度信号の振幅比から推定される回転軸を中心とする回転方向を表示装置に画面表示するステップと、を含むことを特徴とする球体の回転計測方法。
The acceleration generated in the three-axis direction of the X axis, the Y axis, and the Z axis provided at or near the center of gravity of the sphere from the start of flight to the end of flight of the sphere flying with rotation. Detecting at 3 and amplifying the acceleration signal in the three-axis direction and wirelessly transmitting from the transmitter;
Storing the triaxial acceleration data in a signal processor by receiving the triaxial acceleration signal by a receiver and performing analog-digital conversion;
The arithmetic processing unit of the signal processing device performs preprocessing for extracting an acceleration component in the three-axis direction during the flight of the sphere from the acceleration data in the three-axis direction, and removing an offset from the combined acceleration in the three-axis direction. After that, the rotational speed of the sphere and its time change are estimated from the time change of the frequency amplitude value at a predetermined time interval of the acceleration signal in the three axis direction obtained by performing the continuous wavelet transform process, and the extracted three axis direction Calculating the rotational axis position estimated from the amplitude ratio of the acceleration signal;
Displaying the estimated rotational speed of the sphere estimated from the frequency of the acceleration signal and the rotational direction centered on the rotational axis estimated from the amplitude ratio of the extracted acceleration signals in the three-axis directions on a display device; A method of measuring rotation of a sphere characterized by comprising.
回転を伴って飛翔する球体と、該球体の重心若しくは重心近傍に設けられX軸,Y軸,Z軸の3軸方向の加速度を検出する加速度検出部と、該加速度検出部により飛翔開始から飛翔終了するまでの間に検出された3軸方向の加速度信号を記憶する記憶部と、を備えた加速度検出装置と、
前記記憶部に記憶された加速度信号を取り込んでアナログ‐デジタル変換して加速度データとして出力する信号変換部と、前記信号変換部から出力された加速度データを記憶するとともに前記球体が飛翔中の3軸方向の加速度信号を抽出し、3軸方向の合成加速度からオフセット分を除去する前処理を行なった後に連続ウェーブレット変換処理を行って得られた3軸方向の加速度信号の所定時間間隔における周波数振幅値の時間変化から球体の回転速度及びその時間変化を推定し、前記抽出された3軸方向の加速度信号の振幅比から推定される回転軸位置を算出する演算処理部と、を備えた信号処理装置と、
前記演算処理部で算出された球体の回転速度の推定値並びに推定される回転軸を中心とする回転方向を画面表示する表示装置と、を備えたことを特徴とする球体の回転計測装置。
A sphere that flies with rotation, an acceleration detector that detects acceleration in the three axes of the X, Y, and Z axes provided at or near the center of gravity of the sphere, and the flight from the start of flight by the acceleration detector An acceleration detection device comprising: a storage unit that stores acceleration signals in the three-axis directions detected until the end;
A signal conversion unit that takes in an acceleration signal stored in the storage unit and converts it to analog-digital and outputs it as acceleration data; stores acceleration data output from the signal conversion unit; and three axes in which the sphere is flying Frequency amplitude value at a predetermined time interval of the triaxial acceleration signal obtained by extracting the acceleration signal in the direction and performing the pre-processing to remove the offset from the combined acceleration in the triaxial direction and then performing the continuous wavelet transform process A signal processing device comprising: an arithmetic processing unit that estimates a rotational speed of the sphere and a time change thereof from a time change of the sphere, and calculates a rotation axis position estimated from an amplitude ratio of the extracted acceleration signals in the three axis directions When,
An apparatus for measuring rotation of a sphere, comprising: a display device that displays an estimated value of the rotation speed of the sphere calculated by the arithmetic processing unit and a rotation direction centered on the estimated rotation axis.
回転を伴って飛翔する球体の飛翔開始から飛翔終了までに当該球体に発生する加速度を、前記球体の重心若しくは重心近傍に設けられたX軸,Y軸,Z軸の3軸方向の加速度検出部にて検出し、検出された3軸方向の加速度信号を記憶部に記憶するステップと、
前記記憶部に記憶された3軸方向の加速度信号を信号処理装置に取り込んでアナログ‐デジタル変換し、演算処理部が前記3軸方向の加速度データから前記球体が飛翔中の3軸方向の加速度成分を抽出し、3軸方向の合成加速度からオフセット分を除去する前処理を行なった後に連続ウェーブレット変換処理を行って得られた3軸方向の加速度信号の所定時間間隔における周波数振幅値の時間変化から球体の回転速度及びその時間的変化を推定し、前記抽出された3軸方向の加速度信号の振幅比から推定される回転軸位置を算出するステップと、
前記加速度信号の周波数より推測される球体の推定回転速度並びに3軸方向の加速度データの振幅比から推定される回転軸を中心とする回転方向を表示装置に画面表示するステップと、を含むことを特徴とする球体の回転計測方法。
The acceleration generated in the three-axis direction of the X axis, the Y axis, and the Z axis provided at or near the center of gravity of the sphere from the start of flight to the end of flight of the sphere flying with rotation. And detecting the detected acceleration signals in the three-axis directions in the storage unit;
The triaxial acceleration signal stored in the storage unit is taken into a signal processing device and converted into analog to digital form, and the arithmetic processing unit uses the triaxial acceleration data as a triaxial acceleration component during the flight of the sphere. Is extracted from the time change of the frequency amplitude value in a predetermined time interval of the acceleration signal in the three-axis direction obtained by performing the continuous wavelet transform process after performing the pre-processing for removing the offset from the combined acceleration in the three-axis direction. Estimating a rotational speed of the sphere and its temporal change, and calculating a rotational axis position estimated from an amplitude ratio of the extracted acceleration signals in the three-axis directions;
Displaying on the display device the rotation direction centered on the rotation axis estimated from the estimated rotation speed of the sphere estimated from the frequency of the acceleration signal and the amplitude ratio of the acceleration data in the triaxial direction. A method for measuring rotation of a featured sphere.
JP2010201172A 2010-09-08 2010-09-08 Sphere rotation detection apparatus and method Expired - Fee Related JP5681936B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010201172A JP5681936B2 (en) 2010-09-08 2010-09-08 Sphere rotation detection apparatus and method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010201172A JP5681936B2 (en) 2010-09-08 2010-09-08 Sphere rotation detection apparatus and method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2012058066A true JP2012058066A (en) 2012-03-22
JP5681936B2 JP5681936B2 (en) 2015-03-11

Family

ID=46055345

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010201172A Expired - Fee Related JP5681936B2 (en) 2010-09-08 2010-09-08 Sphere rotation detection apparatus and method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5681936B2 (en)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2538496A (en) * 2015-05-14 2016-11-23 Fram3 Ltd Smart sports equipment
WO2018070213A1 (en) * 2016-10-14 2018-04-19 アルプス電気株式会社 Sensor-equipped ball core body
CN109115612A (en) * 2018-10-31 2019-01-01 成都理工大学 Rub physical type rock landslip pilot system
WO2019155687A1 (en) * 2018-02-06 2019-08-15 アルプスアルパイン株式会社 Calibration device, measurement device, spherical body, calibration method and program
WO2019155686A1 (en) * 2018-02-09 2019-08-15 アルプスアルパイン株式会社 Control device, measurement device, ball, measurement system, control method, and program
US10586339B2 (en) 2015-03-18 2020-03-10 Riken Device for measuring rotation of spherical body, measurement method, and program
CN110941795A (en) * 2019-12-16 2020-03-31 中科新松有限公司 Ping-pong ball rotation angle acquisition method, acquisition device and storage medium
US11255874B2 (en) 2016-02-15 2022-02-22 Riken Measurement apparatus, measurement method, program, and information recording medium

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6603844B2 (en) * 2017-07-04 2019-11-13 ドリームフォレスト株式会社 Sensor device
JP6870863B2 (en) * 2019-07-12 2021-05-12 内外ゴム株式会社 How to make a softball baseball with a built-in sensor

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0968539A (en) * 1995-06-19 1997-03-11 Sumitomo Rubber Ind Ltd Rotating speed measuring device for flying sphere
JPH09211014A (en) * 1996-01-29 1997-08-15 Denso Corp Apparatus for compensating non-standard element of rotation sensor
US20040054485A1 (en) * 2002-09-18 2004-03-18 General Electric Company Method, system, and computer-readable medium for sensorless measurement of induction machine rotor bar pass frequency
JP2008246139A (en) * 2007-03-30 2008-10-16 Yupiteru Corp Swing speed measuring device and measuring device for head speed of golf club
JP2009042196A (en) * 2007-08-13 2009-02-26 Yokohama Rubber Co Ltd:The Rotation speed detection system and rotation speed detection device

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0968539A (en) * 1995-06-19 1997-03-11 Sumitomo Rubber Ind Ltd Rotating speed measuring device for flying sphere
JPH09211014A (en) * 1996-01-29 1997-08-15 Denso Corp Apparatus for compensating non-standard element of rotation sensor
US20040054485A1 (en) * 2002-09-18 2004-03-18 General Electric Company Method, system, and computer-readable medium for sensorless measurement of induction machine rotor bar pass frequency
JP2008246139A (en) * 2007-03-30 2008-10-16 Yupiteru Corp Swing speed measuring device and measuring device for head speed of golf club
JP2009042196A (en) * 2007-08-13 2009-02-26 Yokohama Rubber Co Ltd:The Rotation speed detection system and rotation speed detection device

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10586339B2 (en) 2015-03-18 2020-03-10 Riken Device for measuring rotation of spherical body, measurement method, and program
GB2538496A (en) * 2015-05-14 2016-11-23 Fram3 Ltd Smart sports equipment
US11255874B2 (en) 2016-02-15 2022-02-22 Riken Measurement apparatus, measurement method, program, and information recording medium
WO2018070213A1 (en) * 2016-10-14 2018-04-19 アルプス電気株式会社 Sensor-equipped ball core body
WO2019155687A1 (en) * 2018-02-06 2019-08-15 アルプスアルパイン株式会社 Calibration device, measurement device, spherical body, calibration method and program
WO2019155686A1 (en) * 2018-02-09 2019-08-15 アルプスアルパイン株式会社 Control device, measurement device, ball, measurement system, control method, and program
CN109115612A (en) * 2018-10-31 2019-01-01 成都理工大学 Rub physical type rock landslip pilot system
CN109115612B (en) * 2018-10-31 2023-08-15 成都理工大学 Friction physical force type rock landslide test system
CN110941795A (en) * 2019-12-16 2020-03-31 中科新松有限公司 Ping-pong ball rotation angle acquisition method, acquisition device and storage medium
CN110941795B (en) * 2019-12-16 2023-05-12 上海创屹科技有限公司 Table tennis ball rotation angle acquisition method, acquisition device and storage medium

Also Published As

Publication number Publication date
JP5681936B2 (en) 2015-03-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5681936B2 (en) Sphere rotation detection apparatus and method
US20110224012A1 (en) Game Device Swing Detector
US9032794B2 (en) Pitcher training apparatus and method using a ball with an embedded inertial measurement unit
US8070620B2 (en) Method and apparatus for measuring golf green speeds
JP5196581B2 (en) Sphere rotation detection apparatus and method
JP4865735B2 (en) Determination of sports ball rotation parameters
US9327177B2 (en) Tennis swing analysis method
TWI452483B (en) Motion sensing system and operating method of the same
JP6112780B2 (en) Golf swing measurement system, measurement device, and measurement method
EP3364150A1 (en) Wearable device, method for measuring orientation of same, and program
AU2018304949B2 (en) Event detection in sports
FR2937423A1 (en) DEVICE FOR DETERMINING A TRAJECTORY FORMED OF SUBSTANTIALLY COPLANARY SUCCESSIVE POSITIONS OF A SOLIDARITY-LINKED TRIAXIAL ACCELEROMETER TO A MOBILE ELEMENT
US20180065019A1 (en) Hit ball direction teaching apparatus, hit ball direction teaching method, and hit ball direction teaching system
US20170007880A1 (en) Motion analysis method, motion analysis apparatus, motion analysis system, and program
WO2017203209A1 (en) Sports officiating system
US11754394B2 (en) Systems and methods for measuring the rate of angular displacement using magnetic field sensing
JP6350733B1 (en) Ball rotation measurement system
US20170011652A1 (en) Motion analysis method, motion analysis apparatus, motion analysis system, and program
US20210362027A1 (en) Ball spin rate measurement system and method
US20170004729A1 (en) Motion analysis method, motion analysis apparatus, motion analysis system, and program
JP5823764B2 (en) Golf swing evaluation system and evaluation method
US9821209B2 (en) Golf swing analysis apparatus
US11590398B2 (en) Swing analysis method and swing analysis device
US20150143870A1 (en) Azimuth angle calibration method and motion analysis apparatus
Nebas et al. A smartphone based system for kite and board measurements in kitesurfing

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20130909

A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711

Effective date: 20130909

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20130912

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20140715

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20140804

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20141209

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20141212

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5681936

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees