TWI574012B - 校正方法與運動器材 - Google Patents

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TWI574012B
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林昭源
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Description

校正方法與運動器材
本發明係指一種校正方法與運動器材，尤指一種透過低重力加速度感測器數據，校正高重力加速度感測器的校正方法與運動器材。
隨著微機電技術的進步，運動器材開始內建各式各樣的加速度感測器（Accelerometer或G-sensor），來記錄運動員使用運動器材的情況，蒐集的數據可作為分析運動員運動技巧的依據。舉例來說，棒球棒、高爾夫球桿可內建加速度感測器，記錄運動員揮棒（揮桿）的軌跡數據，再透過電子儀器根據分析蒐集的數據，重建軌跡並在螢幕顯示。如此一來，運動員可以重複觀看揮棒（揮桿）軌跡，來提升自身的運動技巧。
請參考第1圖，第1圖為先前技術一重建之高爾夫揮桿軌跡10之示意圖。為了模擬揮桿軌跡10，需取得一球桿100之一桿頭110中內建之加速度感測器蒐集之加速度數據。由於高爾夫球的運動特性，在揮桿與擊球時，桿頭110的加速度差異極大。因此，桿頭110中一般同時安裝了低重力與高重力加速度感測器。低重力與高重力加速度感測器係以可量測的加速度上限值區分，低重力加速度感測器常見的有2倍重力、4倍重力、8倍重力加速度感測器，高重力加速度感測器常見的有100倍重力、200倍重力、400倍重力加速度感測器。
一般來說，加速度感測器量測到的加速度值存在1%的誤差，亦即8倍重力加速度感測器存在0.08G（G=9.8 m/s 2）的誤差，尚屬精準。然而，對於一個400倍重力加速度感測器而言，卻存在4G的誤差，會嚴重影響模擬運動軌跡的結果。因此，如何校正高重力加速度感測器，減少其誤差，已成為業界的努力目標之一。
因此，本發明的目的即在於提供一種校正方法與運動器材。
本發明揭露一種校正方法，用來校正一第一加速度感測器，該第一加速度感測器與一第二加速度感測器被安裝於一裝置，該校正方法包含有該第二加速度感測器量測於一直角座標系之一X、Y、Z軸之一第一組軸加速度；該第一加速度感測器量測於該X、Y、Z軸之一第二組軸加速度；指示變換該裝置之位置；該第二加速度感測器量測於該X、Y、Z軸之一第三組軸加速度；該第一加速度感測器量測於該X、Y、Z軸之一第四組軸加速度；以及根據該第一、第二、第三、第四組軸加速度，校正該第一加速度感測器於該X、Y、Z軸方向量測之一X、Y、Z軸加速度值。
本發明另揭露一種運動器材，包含有一長桿；一桿頭，設置於該長桿之一端，包含有一第一加速度感測器；一第二加速度感測器；一處理單元；一儲存單元，用來儲存一程式碼，該程式碼用來執行一校正流程：以及一介面單元，用來輸出數據；以及一指示按鈕，用來啟動該處理單元執行該校正流程，該校正流程包含有指示該第二加速度感測器量測於一直角座標系之一X、Y、Z軸之一第一組軸加速度；指示該第一加速度感測器量測於該X、Y、Z軸之一第二組軸加速度；驅動該指示按鈕，顯示一信號，該信號用來指示變換該桿頭之位置；指示該第二加速度感測器量測於該X、Y、Z軸之一第三組軸加速度；以及指示該第一加速度感測器量測於該X、Y、Z軸之一第四組軸加速度。
根據上述實施例，本發明透過低重力加速度感測器數據，校正高重力加速度感測器的校正方法與運動器材，來簡化校正流程。
請參考第2圖，第2圖為本發明實施例一校正流程20之流程圖。校正流程20用來校正第1圖之桿頭110中之一高重力加速度感測器。校正流程20包含有下列步驟：
步驟200：開始。
步驟202：移動高重力加速度感測器，使高重力加速度感測器的Z軸平行於地心引力方向並與地心引力方向相反。
步驟204：高重力加速度感測器量測於Z軸方向之一第一Z加速度值z_up。
步驟206：移動高重力加速度感測器，使高重力加速度感測器的Z軸平行於地心引力方向並與地心引力方向相同。
步驟208：高重力加速度感測器量測於Z軸方向之一第二Z加速度值z_down。
步驟210：移動高重力加速度感測器，使高重力加速度感測器的X軸平行於地心引力方向並與地心引力方向相反。
步驟212：高重力加速度感測器量測於X軸方向之一第一X加速度值x_up。
步驟214：移動高重力加速度感測器，使高重力加速度感測器的X軸平行於地心引力方向並與地心引力方向相同。
步驟216：高重力加速度感測器量測於X軸方向之一第二X加速度值x_down。
步驟218：移動高重力加速度感測器，使高重力加速度感測器的Y軸平行於地心引力方向並與地心引力方向相反。
步驟220：高重力加速度感測器量測於Y軸方向之一第一Y加速度值y_up。
步驟222：移動高重力加速度感測器，使高重力加速度感測器的Y軸平行於地心引力方向並與地心引力方向相同。
步驟224：高重力加速度感測器量測於Y軸方向之一第二Y加速度值y_down。
步驟226：根據公式(1)～(6)及加速度值x_up、x_down、y_up、y_down、z_up、z_down，計算校正參數Scale_x、Scale_y、Scale_z、Offset_x、Offset_y、 Offset_z。
步驟228：根據公式(7)～(9)及校正參數Scale_x、Scale_y、Scale_z、Offset_x、Offset_y、 Offset_z，校正高重力加速度感測器之加速度值x_m、y_m、z_m。
步驟230：結束。 公式(1) 公式(2) 公式(3) 公式(4) 公式(5) 公式(6) 公式(7)
在公式(1)~(9)中，G=9.8m/s2為重力加速度，x_cali、y_cali、z_cali為高重力加速度感測器校正後的量測加速度值。
校正流程20總共需將高重力加速度感測器移動六次，並以1G的重力在X、Y、Z軸的量測值做為參考值，校正高重力加速度感測器的誤差。製造商可根據校正流程20，於每顆高重力加速度感測器出廠時，校正高重力加速度感測器。
然而，一般來說，如第3圖所示，一高重力加速度感測器310被安裝於桿頭110內，一旦安裝完成，使用者及製造商不易知道高重力加速度感測器310在桿頭110內的方位。在此情況下，步驟202、206、210、214、218、222中移動高重力加速度感測器310之X、Y、Z軸至與地心引力方向平行的措施不易施行。另外，受限於安裝技術，每顆高重力加速度感測器310於桿頭110內的位置亦不固定，更增加步驟202、206、210、214、218、222的難度。
因此，本發明另提供一校正流程40，來簡化校正流程20。請參考第4圖，第4圖為本發明實施例校正流程40之流程圖。校正流程40亦用來校正桿頭110中之高重力加速度感測器310，高重力加速度感測器310緊鄰一低重力加速度感測器320(見第3圖)，並一起被安裝於桿頭110內。校正流程20包含有下列步驟：
步驟400：開始。
步驟402：低重力加速度感測器320量測於X、Y、Z軸方向之一第一X加速度XLow1、一第一Y加速度YLow1及一第一Z加速度ZLow1。
步驟404：高重力加速度感測器310量測於X、Y、Z軸方向之一第二X加速度Xhigh1、一第二Y加速度Yhigh1及一第二Z加速度Zhigh1。
步驟406：指示變換桿頭110之位置。
步驟408：低重力加速度感測器320量測於X、Y、Z軸方向之一第三X加速度XLow2、一第三Y加速度YLow2及一第三Z加速度ZLow2。
步驟410：高重力加速度感測器310量測於X、Y、Z軸方向之一第四X加速度Xhigh2、一第四Y加速度Yhigh2及一第四Z加速度Zhigh2。
步驟412：若XLow1<XLow2，交換XLow1、XLow2之值；若YLow1<YLow2，交換YLow1、YLow2之值；若ZLow1<ZLow2，交換ZLow1、ZLow2之值。
步驟414：根據XLow1、XLow2、YLow1、YLow2、ZLow1、ZLow2及公式(10)~(16)先求出x_up、x_down、y_up、y_down、z_up、z_down，再根據公式(1)~(9)校正高重力加速度感測器於X、Y、Z軸方向量測之加速度值x_m、y_m、z_m。
步驟416：結束。
x_up=XHigh1+(1-XLow1)×Scale_Rate 公式(11)
x_down=XHigh2+(1-XLow2)×Scale_Rate 公式(12)
y_up=YHigh1+(1-YLow1)×Scale_Rate 公式(13)
y_down=YHigh2+(1-YLow2)×Scale_Rate 公式(14)
z_up=ZHigh1+(1-ZLow1)×Scale_Rate 公式(15)
z_down=ZHigh2+(1-ZLow2)×Scale_Rate 公式(16)
簡單來說，校正流程40不需透過將高重力加速度感測器310移動六次，即可求得校正流程20所需的加速度值x_up、x_down、y_up、y_down、z_up、z_down，再根據公式(1)~(9)，換算出校正後的加速度值x_cali、y_cali、z_cali。如此一來，移動高重力加速度感測器310的次數從六次減為一次(桿頭110初始位置可任意擺放，故只需移動一次)，且不須對齊地心引力方向，也不需知道高重力加速度感測器310之X、Y、Z軸於桿頭110中的方位，更能符合球桿100出製造場後的校正需求。舉例來說，球桿100離開製造工廠後，校正流程不宜包含從桿頭110取出高重力加速度感測器310的步驟，以免消費者無法安裝回桿頭110，且每件球桿100中高重力加速度感測器310之方位不盡相同，校正流程應與高重力加速度感測器310的安裝位置脫鉤，才能避免誤差。由於校正流程40僅需移動桿頭110一次，且與高重力加速度感測器310的安裝位置無關，即符合這樣的需求。
從另一方面來說，公式(10)～(16)是利用低重力加速度感測器320誤差較小（相較於高重力加速度感測器310）又與高重力加速度感測器310安裝在一起（加速度近似）的特性，根據低重力加速度感測器320量測的加速度XLow1、XLow2、YLow1、YLow2、ZLow1、ZLow2來估計高重力加速度感測器310的加速度值x_up、x_down、y_up、y_down、z_up、z_down。如此一來，使用者或製造商就不需要像校正流程20一樣，逐次將高重力加速度感測器310的座標軸與地心引力方向對齊，可以大幅提升校正流程的時效與便利性。
校正流程40亦可與電子裝置結合，來實現自動化校正。請參考第5圖，第5圖為本發明實施例一校正系統50之示意圖。校正系統50包含有一運動器材500及一電子裝置510。運動器材500包含有一長桿502、一桿頭504及一指示按鈕520。桿頭504設置於長桿502之一端，包含有一高重力加速度感測器506、一低重力加速度感測器508、一處理單元507、一儲存單元509及一介面單元505。高重力加速度感測器506係前述之高重力加速度感測器310，低重力加速度感測器508係前述之低重力加速度感測器320，在此不贅述。儲存單元509用來儲存一程式碼，程式碼用來指示處理單元507執行步驟402～410。指示按鈕520用來提供使用者啟動校正流程40之按鈕，以及用來指示使用者變換桿頭110位置之時機，例如步驟402、404執行完成後，處理單元507可驅動指示按鈕520發光，讓使用者知道變換桿頭110位置之時機。介面單元505（例如藍芽或WiFi模組）用來輸出數據至電子裝置510。電子裝置510（例如智慧型手機或個人電腦）包含有一接收單元512、一處理單元514、一儲存單元515及一顯示單元516。接收單元512用來接收介面單元505發送之數據。儲存單元515用來儲存程式碼，程式碼指示處理單元514執行步驟412、414，以取得校正後的加速度值x_cali、y_cali、z_cali，並根據校正後的加速度值x_cali、y_cali、z_cali，重建桿頭504之一運動軌跡TM，作為一模擬運動軌跡TM’。最後，顯示單元516顯示模擬運動軌跡TM’。如此一來，使用者可透過檢視模擬運動軌跡TM’，改善自身的運動技巧。
需注意的是，校正流程40之運算步驟（步驟412、414）可由運動器材500之處理單元507執行或由電子裝置510之處理單元514執行。也就是說。介面單元505可傳送原始的量測數據，例如加速度XLow1、XLow2、YLow1、YLow2、ZLow1、ZLow2、XHigh1、XHigh2、YHigh1、YHigh2、ZHigh1、ZHigh2至電子裝置510，或傳送高階數據，例如校正後的加速度值x_cali、y_cali、z_cali至電子裝置510。
校正系統50執行校正流程40之細節運算過程可參考前述對校正流程40之介紹，在此不贅述。
綜上所述，為了解決先前技術中高重力加速度感測器誤差大的問題，本發明以誤差較小的低重力加速度感測器之數據，推估高重力加速度感測器所需的校正參數，以減少校正程序所需的量測次數與簡化校正所需的措施。如此一來，使用者及製造商可透過自動化的校正程序，快速校正運動器材中的高重力加速度感測器。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10 揮桿軌跡 100 球桿 110 桿頭 20、40 校正流程 200、202、204、206、208、210、212、 214、216、218、220、222、224、226、 228、230、400、402、404、406、408、 410、412、414、416 步驟 310 高重力加速度感測器 320 低重力加速度感測器 50 校正系統 500 運動器材 502 長桿 504 桿頭 505 介面單元 506 高重力加速度感測器 507、514 處理單元 508 低重力加速度感測器 509、515 儲存單元 510 電子裝置 512 接收單元 516 顯示單元 520 指示按鈕 TM 運動軌跡 TM’ 模擬運動軌跡
第1圖為先前技術一重建之高爾夫揮桿軌跡之示意圖。 第2圖為本發明實施例一校正流程之流程圖。 第3圖為本發明實施例一桿頭之示意圖。 第4圖為本發明實施例一校正流程之流程圖。 第5圖為本發明實施例一校正系統之示意圖。
<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="_0026"><TBODY><tr><td> 40 </td><td> 校正流程 </td></tr><tr><td> 400、402、404、406、408、410、412、414、416 </td><td> 步驟 </td></tr></TBODY></TABLE>

Claims (10)

  1. 一種校正方法，用來校正一第一加速度感測器，該第一加速度感測器與一第二加速度感測器被安裝於一裝置，該校正方法包含有：該第二加速度感測器量測於一直角(Cartesian)座標系之一X、Y、Z軸之一第一組軸加速度；該第一加速度感測器量測於該X、Y、Z軸之一第二組軸加速度；指示變換該裝置之位置；該第二加速度感測器量測於該X、Y、Z軸之一第三組軸加速度；該第一加速度感測器量測於該X、Y、Z軸之一第四組軸加速度；以及根據該第一、第二、第三、第四組軸加速度，校正該第一加速度感測器於該X、Y、Z軸方向量測之一X、Y、Z軸加速度值；其中該第一加速度感測器係一高重力加速度感測器，該第二加速度感測器係一低重力加速度感測器。
  2. 如請求項1所述之校正方法，其中：該第一組軸加速度包含有一第一X加速度XLow1、一第一Y加速度YLow1、一第一Z加速度ZLow1；該第二組軸加速度包含有一第二X加速度XHigh1、一第二Y加速度YHigh1、一第二Z加速度ZHigh1；該第三組軸加速度包含有一第三X加速度XLow2、一第三Y加速度YLow2、一第三Z加速度ZLow2；以及該第四組軸加速度包含有一第四X加速度XHigh2、一第四Y加速度YHigh2、一第四Z加速度ZHigh2。
  3. 如請求項2所述之校正方法，另包含有：若XLow1<XLow2，交換XLow1、XLow2之值； 若YLow1<YLow2，交換YLow1、YLow2之值；以及若ZLow1<ZLow2，交換ZLow1、ZLow2之值。
  4. 如請求項3所述之校正方法，其中根據該第一、第二、第三、第四組軸加速度，校正該第一加速度感測器於該X、Y、Z軸方向量測之該X、Y、Z軸加速度值x_m、y_m、z_m之步驟包含有：計算 x_up=XHigh1+(1-XLow1)×Scale_Rate；x_down=XHigh2+(1-XLow2)×Scale_Rate；y_up=YHigh1+(1-YLow1)×Scale_Rate；y_down=YHigh2+(1-YLow2)×Scale_Rate；z_up=ZHigh1+(1-ZLow1)×Scale_Rate；z_down=ZHigh2+(1-ZLow2)×Scale_Rate； ；以及
  5. 一種運動器材，包含有：一長桿； 一桿頭，設置於該長桿之一端，包含有：一第一加速度感測器；一第二加速度感測器；一處理單元；一儲存單元，用來儲存一程式碼，該程式碼用來執行一校正流程：以及一介面單元，用來輸出數據；以及一指示按鈕，用來啟動該處理單元執行該校正流程，該校正流程包含有：指示該第二加速度感測器量測於一直角(Cartesian)座標系之一X、Y、Z軸之一第一組軸加速度；指示該第一加速度感測器量測於該X、Y、Z軸之一第二組軸加速度；驅動該指示按鈕，顯示一信號，該信號用來指示變換該桿頭之位置；指示該第二加速度感測器量測於該X、Y、Z軸之一第三組軸加速度；以及指示該第一加速度感測器量測於該X、Y、Z軸之一第四組軸加速度；其中該第一加速度感測器係一高重力加速度感測器，該第二加速度感測器係一低重力加速度感測器。
  6. 如請求項5所述之運動器材，其中該校正流程另包含有：根據該第一、第二、第三、第四組軸加速度，校正該第一加速度感測器於該X、Y、Z軸方向量測之一X、Y、Z軸加速度值；以及指示該介面單元，輸出校正後X、Y、Z軸加速度值之數據。
  7. 如請求項5所述之運動器材，其中該校正流程另包含有：指示該介面單元，輸出該第一、第二、第三、第四組軸加速度之數據。
  8. 如請求項5所述之運動器材，其中： 該第一組軸加速度包含有一第一X加速度XLow1、一第一Y加速度YLow1、一第一Z加速度ZLow1；該第二組軸加速度包含有一第二X加速度XHigh1、一第二Y加速度YHigh1、一第二Z加速度ZHigh1；該第三組軸加速度包含有一第三X加速度XLow2、一第三Y加速度YLow2、一第三Z加速度ZLow2；以及該第四組軸加速度包含有一第四X加速度XHigh2、一第四Y加速度YHigh2、一第四Z加速度ZHigh2。
  9. 如請求項8所述之運動器材，其中該校正方法另包含有：若XLow1<XLow2，交換XLow1、XLow2之值；若YLow1<YLow2，交換YLow1、YLow2之值；以及若ZLow1<ZLow2，交換ZLow1、ZLow2之值。
  10. 如請求項9所述之運動器材，其中該校正方法另包含有：根據該第一、第二、第三、第四組軸加速度，校正該第一加速度感測器於該X、Y、Z軸量測之該X、Y、Z軸加速度值x_m、y_m、z_m，其步驟包含有：計算 x_up=XHigh1+(1-XLow1)×Scale_Rate；x_down=XHigh2+(1-XLow2)×Scale_Rate；y_up=YHigh1+(1-YLow1)×Scale_Rate；y_down=YHigh2+(1-YLow2)×Scale_Rate；z_up=ZHigh1+(1-ZLow1)×Scale_Rate；z_down=ZHigh2+(1-ZLow2)×Scale_Rate； ；以及
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