TWI444860B - Moving object trajectory detection system - Google Patents

Description

移動物體軌跡偵測系統

本發明係有關於一種移動物體軌跡偵測系統，尤指一種可即時顯示物體，例如但不限於棒球進壘時之軌跡，且該程式可根據棒球打擊者之身高設定其好球帶範圍之物體軌跡偵測系統。

按，棒球是台灣的國球，從國小的少棒到成人的職棒，各年齡層都有熱愛棒球的人士，可想而知在台灣參與棒球運動的人數一定不在少數。一支棒球隊中的靈魂人物就是投手，不論是先發投手或後援投手，尤其是先發投手的強弱幾乎可以決定一場球賽的勝負。一個優質投手能夠完全壓制住對手的打擊；相反的一個較弱的投手則會被對手轟的體無完膚。因此，投手的訓練是非常重要的。

而現有的投手訓練方式或系統，當投手要練投時，通常需要其他人的協助，以不同的角度觀察球的移動路徑、判斷好壞球、測量球速等等，相當不便且不客觀。

習知之投手訓練系統，例如中華民國新型第415725號專利即揭示一種「感測投球裝置」，用以感測移動中之一物體，包含顯示平台、顯示螢幕、一對橫向感測器陣列以及一對縱向感測器陣列。顯示平台向內凹陷形成有第一凹槽，第一凹槽是由底面及內環側壁所界定，而底面之中央部分更向內凹陷形成有第二凹槽。顯示螢幕設置於第二凹槽中。橫向感測器陣列以及縱向感測器陣列交錯地設置於內環側壁上。惟該專利前案具有一對橫向感測器陣列以及一對縱向感測器陣列之結構相對複雜，且無法根據棒球打擊者之身高設定其好球帶範圍。

又例如中華民國新型第365767號專利即揭示一種「可獲得投球資訊的投球練習機」，其包括至少一前置偵測單元、一後置偵測單元、一處理單元及一顯示單元。該處理單元與前述各偵測單元電連接，以分別偵測前述各偵測單元所偵得的投球進壘位置、球速，並根據各偵測單元之間的落球點交相分析出球路的軌跡變化，以模擬投手投出每一顆球的尾速變化。惟該專利前案具有一前置偵測單元及一後置偵測單元之結構相對複雜，且無法根據棒球打擊者之身高設定其好球帶範圍，誠屬美中不足之處

因此，有必要設計一種發明的移動物體軌跡偵測系統，以克服上述缺陷。

本發明之一目的係提供一種移動物體軌跡偵測系統，其具有三個超音波感測器，可偵測及即時顯示棒球進壘時之軌跡，以供投手練習投球之參考。

本發明之一目的係提供一種移動物體軌跡偵測系統，其具有一程式，其可根據棒球打擊者之身高設定其好球帶範圍。

為達上述之目的，本發明之一種移動物體軌跡偵測系統，其包括：至少三個超音波感測器，係分置於一板狀物之三個端點上，用以感測一物體通過時之軌跡；一啟動按鈕，係分別耦接至該等超音波感測器，用以觸發該等超音波感測器；一控制器，係分別耦接至該等超音波感測器及該啟動按鈕，可接收該等超音波感測器之反射音波訊號，且其內部具有一三角定位演算單元，可根據該等反射訊號計算出該物體通過板狀物時之一三維座標值；一第一傳輸介面，係耦接至該控制器，可將該三維座標值傳輸出去；以及一主機，其具有一第二傳輸介面，係耦接至該第一傳輸介面，其上具有一程式，可根據該三維座標值繪出該物體軌跡置之三維軌跡圖。

為使　貴審查委員能進一步瞭解本發明之結構、特徵及其目的，茲附以圖式及較佳具體實施例之詳細說明如后。

請一併參照圖1至圖3，其中圖1繪示本案一較佳實施例之移動物體軌跡偵測系統之系統方塊示意圖；圖2繪示本案一較佳實施例之超音波感測器之觸發和接收示意圖；圖3繪示本案一較佳實施例之超音波感測器之時序示意圖。

如圖所示，本發明之移動物體軌跡偵測系統，其包括：至少三個超音波感測器10、11及12；一啟動按鈕20；一控制器30；一第一傳輸介面40；以及一主機50所組合而成者。

其中，該超音波感測器10、11及12係分置於一板狀物15之三個端點上，用以感測一物體通過時之軌跡，其中，該板狀物15例如但不限於為一本壘板，該物體例如但不限於為一棒球，且該三個超音波感測器10、11及12係均勻分佈於該本壘板15之三個端點上。在本實施例中係以三個超音波感測器10、11及12為例加以說明，但並不以此為限，當該超音波感測器的數量愈多時，感測的棒球軌跡將愈精確，但計算也將更費時。其中，該超音波感測器10、11及12例如但不限於為SRF04，且其工作頻率可以相同也可以不同，當頻率相同時，三個超音波感測器10、11及12間需以輪詢式(polling)方式輪流觸發，當頻率不同時，三個超音波感測器10、11及12間則可以同時觸發，不會互相產生干擾。

該啟動按鈕20係耦接至該控制器30，用以啟動該等超音波感測器10、11及12。

該控制器30係分別耦接至該等超音波感測器10、11及12及該啟動按鈕20，可接收該等超音波感測器10、11及12之反射音波訊號，且其內部具有一中央處理單元31、一超音波接收計時單元32及一三角定位演算單元33，其中該中央處理單元31為該控制器30的核心，用以執行相關控制及運算，當該啟動按鈕20被按下時，該中央處理單元31將觸發該等超音波感測器10、11及12開始接收反射訊號；該超音波接收計時單元32可計時所接收該等反射訊號；該三角定位演算單元33則可根據該等反射訊號計算出該物體通過板狀物時之一三維座標值。其中，該控制器30例如但不限於為一場可程式邏輯閘陣列(FPGA,Field Programmable Gate Array)或一微控制器，且該三角定位演算單元33可由硬體元件或軟體程式所完成。在本實施例中，該控制器30係以場可程式邏輯閘陣列為例加以說明，且該場可程式邏輯閘陣列30中可以Verilog硬體描述語言(hardware description language)將其規劃為內含該中央處理單元31、該超音波接收計時單元32、該三角定位演算單元33及一記憶體34。其中，該記憶體34可供儲存資料，或當該三角定位演算單元33以軟體程式完成時，可供儲存其程式碼。在本實施例中，該三角定位演算單元33係以硬體元件為例加以說明，但並不以此為限。

該第一傳輸介面40係耦接至該控制器30，可將該三維座標值傳輸出去。其中，該第一傳輸介面40例如但不限於為一RS-232介面。

該主機50其具有一第二傳輸介面51，係耦接至該第一傳輸介面40，其上具有一程式52，可根據該三維座標值繪出該物體軌跡置之三維軌跡圖。其中，該第二傳輸介面51例如但不限於為一RS-232介面，該主機50則例如但不限於為一桌上型或筆記型電腦，在本實施例中，係以筆記型電腦為例加以說明，但並不以此為限。此外，該程式52例如但不限於由C++及OPENGL函式庫所完成，且該程式52可根據棒球打擊者之身高設定其好球帶範圍。

此外，本發明之移動物體軌跡偵測系統進一步具有一第一顯示裝置60，其係耦接至該控制器30，可供顯示該物體之速度，且該第一顯示裝置60例如但不限為一LCD或LED顯示器，在本實施例中，係以7段發光二極體顯示器為例加以說明，但並不以此為限。

此外，本發明之移動物體軌跡偵測系統進一步具有一印刷電路板(圖未示)，以承載該啟動按鈕20、控制器30及第一顯示裝置60等元件，其中，該印刷電路板為習知技術且非本案之重點，故在此不擬贅述。

如圖2所示，初始時，該等超音波感測器11、12、13處於禁能狀態等待觸發(步驟1)；當使用者按下該啟動按鈕20時，計數器被歸零(步驟2)；該等超音波感測器11、12、13同時收到反射訊號(步驟3)；當球未進入本壘板時，該等超音波感測器11、12、13所發出之超音波未遇到阻礙，該超音波接收計時單元32所接收到的值相當大，因此，不具參考性，計數器持續累計(步驟4)；當球進入本壘板時，該超音波接收計時單元32接收到反射音波，亦即Echo=1，因此，開始計算反射音波的時間(步驟5)；將反射音波的相對應計時量除以58即得到球離本壘板的高度(步驟6)。在本實施例中，係以同時啟動三個超音波感測器11、12、13為例加以說明，但並不以此為限。且於步驟6中，將反射音波的相對應計時量除以58即得到球離本壘板的高度，其中58是SRF04超音波感測器的規格。

如圖3所示，當使用者按下該啟動按鈕20時，該控制器30將輸出至少10us的觸發波至三個超音波感測器11、12、13，接著三個超音波感測器11、12、13將分別發出8週期的超音波，接著該超音波接收計時單元32即可以計時相對應於反射音波之ECHO脈波寬度，若該ECHO脈波寬度大於18mS，則表示該超音波感測器11、12、13沒有偵測到物件。

請參照圖4，其繪示本案一較佳實施例之三角定位演算單元之三維座標定位模型示意圖。如圖所示，將三個超音波感測器11、12、13所輸出的距離結果送到該三角定位演算單元33，透過三維座標定位可求出物體在空間中的三維座標。接著將說明如何推導出三維座標計算模型：分別將三個超音波感測器11、12、13分別放置於本壘板上的0點、X點及Y點上。以0點為原點座標(0,0,0)向上延伸為Z軸，Y軸為向銀幕內延伸，X軸則為向右延伸。而X軸與Y軸長度分別定為a與b。因此，分別產生0(0,0,0)、X(a,0,0)、Y(0,b,0)及P(x,y,z)以及P點的投影點P’(x,y,0)。

由圖4可以求得以下三個公式：

(公式1)　L₁ ² =x² +y² +z²

(公式2)　L₂ ² =x² +(b-y)² +z²

(公式3)　L₃ ² =(a-x)² +y² +z²

由公式1及公式2可得到

(公式4)　L₁ ² -L₂ ² =2by-b²

將公式4移項後可得到

由公式1及公式3可得到

(公式6)　L₁ ² -L₃ ² =2ax-a²

將公式6移項後可得到

計算出x,y後帶入公式1可得

如此,即可獲得P點之空間座標P(x,y,z)。該三角定位演算單元33持續的將三個超音波感測器11、12、13所輸出的距離轉換成P點之空間座標P(x,y,z)，並儲存於該記憶體34中。接著透過第一傳輸介面30及第二傳輸介面51傳輸至該主機50，該主機50上之程式52即可根據該三維座標值P(x,y,z)繪出該物體進入本壘板時之連續軌跡圖。

請一併參照圖5至圖7，其中圖5繪示本案一較佳實施例之主機之程式之操作流程示意圖；圖6繪示本案一較佳實施例之主機之程式於球經過本壘板時之三維示意圖；圖7繪示本案一較佳實施例之主機之程式於球經過本壘板時之球軌跡俯視示意圖。如圖5所示，本案之移動物體軌跡偵測系統其主機50上之程式52係由例如但不限於C++及OPENGL函式庫所完成，且該程式52可根據棒球打擊者之身高設定其好球帶範圍，其操作流程如下：輸入打擊著身高(步驟1)；繪出好球帶區(步驟2)；透過該第二傳輸介面51接收三維座標資訊(步驟3)；使用OPENGL函式庫繪出球進入本壘板之行進軌跡(步驟4)；控制上下左右鍵觀察球的軌跡(步驟5)；以及判斷好壞球(步驟6)。如圖6及圖7所示，在本實施例中，該程式52可以根據打擊著身高設定不同的好球帶區，並根據球進入本壘板之行進軌跡以判斷是好球或壞球，並藉由該第一顯示裝置60顯示其球速，藉以減少主審之誤判機率，因此，本案之移動物體軌跡偵測系統除可供投手自行操作該系統，據以修正投球姿勢，以求得更完美之進壘軌跡外，亦可實際應用於棒球比賽，以輔助主審對好壞球的判決。當比賽中發生爭議球時，也可供主審及兩隊教練進行重播審判，以增加比賽之公平性。因此，本發明之移動物體軌跡偵測系統較習知之技術具進步性。

綜上所述，藉由本案之移動物體軌跡偵測系統之實施，其具有至少三個超音波感測器，可偵測及即時顯示棒球進壘時之軌跡，以供投手參考；以及其具有一程式，其可根據棒球打擊者之身高設定其好球帶範圍等優點，因此，本案確實較習知技術具有進步性。

本案所揭示者，乃較佳實施例，舉凡局部之變更或修飾而源於本案之技術思想而為熟習該項技藝之人所易於推知者，俱不脫本案之專利權範疇。

綜上所陳，本案無論就目的、手段與功效，在在顯示其迥異於習知之技術特徵，且其首先發明合於實用，亦在在符合發明之專利要件，懇請　貴審查委員明察，並祈早日賜予專利，俾嘉惠社會，實感德便。

10、11及12．．．超音波感測器

15．．．板狀物

20．．．啟動按鈕

30．．．控制器

31．．．中央處理單元

32．．．超音波接收計時單元

33．．．三角定位演算單元

34．．．記憶體

40．．．第一傳輸介面

50．．．主機

51．．．第二傳輸介面

52．．．程式

60．．．第一顯示裝置

圖1為一示意圖，其繪示本案一較佳實施例之移動物體軌跡偵測系統之系統方塊示意圖。

圖2為一示意圖，其繪示本案一較佳實施例之超音波感測器之觸發和接收示意圖。

圖3為一示意圖，其繪示本案一較佳實施例之超音波感測器之時序示意圖。

圖4為一示意圖，其繪示本案一較佳實施例之三角定位演算單元之三維座標定位模型示意圖。

圖5為一示意圖，其繪示本案一較佳實施例之主機之程式之操作流程示意圖。

圖6為一示意圖，其繪示本案一較佳實施例之主機之程式於球經過本壘板時之三維示意圖。

圖7為一示意圖，其繪示本案一較佳實施例之主機之程式於球經過本壘板時之球軌跡俯視示意圖。

10、11及12．．．超音波感測器

20．．．啟動按鈕

30．．．控制器

31．．．中央處理單元

32．．．超音波接收計時單元

33．．．三角定位演算單元

34．．．記憶體

40．．．第一傳輸介面

50．．．主機

51．．．第二傳輸介面

60．．．第一顯示裝置

Claims (10)

1. 一種移動物體軌跡偵測系統，其包括：至少三個超音波感測器，係分置於一板狀物上，用以感測一物體通過時之軌跡；一啟動按鈕，用以觸發該等超音波感測器；一控制器，係分別耦接至該等超音波感測器及該啟動按鈕，可計時所接收該等超音波感測器之反射音波訊號，且其內部具有一中央處理單元、一超音波接收計時單元及一三角定位演算單元，其中該超音波接收計時單元可接收該等反射訊號，該三角定位演算單元則可根據該等反射訊號所換算之距離計算出該物體通過板狀物時之一三維座標值；一第一傳輸介面，係耦接至該控制器，可將該三維座標值傳輸出去；以及一主機，其具有一第二傳輸介面，係耦接至該第一傳輸介面，其上具有一程式，可根據該三維座標值繪出該物體軌跡置之三維軌跡圖，其中該程式可根據棒球打擊者之身高設定其好球帶範圍。
2. 如申請專利範圍第1項所述之移動物體軌跡偵測系統，其中該板狀物為一本壘板，且該三個超音波感測器係均勻分佈於該本壘板之三個端點上。
3. 如申請專利範圍第2項所述之移動物體軌跡偵測系統，其中該物體為一棒球。
4. 如申請專利範圍第1項所述之移動物體軌跡偵測系統，其中該控制器為微控制器或一場可程式邏輯閘陣列(FPGA)。
5. 如申請專利範圍第1項所述之移動物體軌跡偵測系統，其中該第一傳輸介面與該第二傳輸介面為一RS-232介面，且該主機為一桌上型或筆記型電腦。
6. 如申請專利範圍第1項所述之移動物體軌跡偵測系統，其進一步具有一第一顯示裝置，係耦接至該控制器，可供顯示該物 體之速度，且該第一顯示裝置為一LCD或LED顯示器。
7. 如申請專利範圍第6項所述之移動物體軌跡偵測系統，其進一步具有一印刷電路板，以承載該啟動按鈕、控制器及第一顯示裝置。
8. 如申請專利範圍第1項所述之移動物體軌跡偵測系統，其中該主機之程式係由C++及OPENGL函式庫所完成。
9. 如申請專利範圍第1項所述之移動物體軌跡偵測系統，其中該三角定位演算單元係由硬體元件或軟體程式所完成。
10. 如申請專利範圍第1項所述之移動物體軌跡偵測系統，其中該程式進一步包括下列步驟：輸入打擊著身高；繪出好球帶區；透過該第二傳輸介面接收三維座標資訊；使用OPENGL函式庫繪出球進入本壘板之行進軌跡；控制上下左右鍵觀察球的軌跡；以及判斷好壞球。