專利名稱：一種體育球類慣性測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于體育球類的慣性測量系統(tǒng)，尤其是用于足球、籃球、排球、橄欖 球、鉛球、實(shí)心球、網(wǎng)球等體育球類的慣性測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前，體育上用于測球速的主要技術(shù)是雷達(dá)測速。其原理是向運(yùn)動物體發(fā)射電磁波，根 據(jù)多普勒效應(yīng)，反射回來的電磁波頻率發(fā)生變化，由此可測出運(yùn)動物體的速度。這是目前在 球類運(yùn)動中運(yùn)用較多的測速方法，它的缺點(diǎn)是需要在球飛出的時(shí)候?qū)χ驕y試，會由于場上 的球員擋住而無法測試，測試距離短，約20米左右，所以多在場地較小并且場上球員少的網(wǎng) 球比賽中使用。并且不能測球的轉(zhuǎn)速和軌跡。
德國的"智能足球(Smart Ball)"方案，是在足球中加入信號發(fā)射芯片，在足球場上設(shè) 置12個(gè)接收器對信號進(jìn)行跟蹤定位(原理類似于GPS定位)，可以精確判斷足球是否出界或進(jìn) 入球門線等等，也能夠計(jì)算出球速。但由于其一套設(shè)備的費(fèi)用高達(dá)2000萬英鎊而難以推廣使 用。也不能測球的轉(zhuǎn)速。
所以，現(xiàn)有技術(shù)存在著測球速技術(shù)使用不方便和成本過高的問題。目前并沒有適合于體 育訓(xùn)練和比賽使用的測量各種球的球速、轉(zhuǎn)速和顯示球的運(yùn)動過程三維動畫，以及球的飛行 軌跡的低成本技術(shù)方案。
近年來，由于MEMS (Micro Electronic Mechanical System微電子機(jī)械系統(tǒng))技術(shù)的迅 速發(fā)展，加速度傳感器也得到了迅速發(fā)展。MEMS技術(shù)是建立在微米/納米技術(shù)基礎(chǔ)上的21世紀(jì) 前沿技術(shù)，是指對微米/納米材料進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、制造、測量和控制的技術(shù)。它可將機(jī)械構(gòu) 件、光學(xué)系統(tǒng)、驅(qū)動部件、電控系統(tǒng)集成為一個(gè)整體單元的微型系統(tǒng)。它用微電子技術(shù)和微 加工技術(shù)(包括硅體微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片鍵合等技術(shù))相結(jié)合的制造工藝，制 造出各種性能優(yōu)異、價(jià)格低廉、微型化的傳感器、執(zhí)行器、驅(qū)動器和微系統(tǒng)。正是由于采用 了MEMS技術(shù)，使得加速度傳感器尺寸大大縮小， 一個(gè)MEMS加速度傳感器只有指甲蓋的幾分之 一大小?；贛EMS技術(shù)生產(chǎn)的加速度傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、能耗低、成本低、抗沖擊 能力強(qiáng)(可達(dá)5000g，所以放在足球中也沒問題)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明利用先進(jìn)的MEMS加速度傳感器技術(shù)，運(yùn)用慣性測量的方法來測量各種體育球類的 球速、轉(zhuǎn)速和軌跡。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種體育球類慣性測量系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有測球速技術(shù)使用不方便、成本過高 以及不能顯示球的軌跡等問題。
本發(fā)明利用先進(jìn)的MEMS加速度傳感器技術(shù)，運(yùn)用慣性測量的方法來測量各種體育球類的 球速、轉(zhuǎn)速和軌跡。具有體積小，質(zhì)量輕，成本低，功耗低，抗沖擊能力強(qiáng)，可以測高轉(zhuǎn)速 等諸多優(yōu)點(diǎn)。能夠顯示球速、轉(zhuǎn)速、加速度曲線、角加速度曲線等運(yùn)動狀態(tài)信息，并且可以 結(jié)合計(jì)算機(jī)三維圖形技術(shù)，顯示球的運(yùn)動過程動畫，以及球的6行軌跡等。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案
一種體育球類慣性測量系統(tǒng)，在球內(nèi)安裝多個(gè)加速度傳感器或單個(gè)多軸加速度傳感器， 將加速度傳感器的信號，傳輸給處理器或可編程芯片進(jìn)行計(jì)算處理，然后顯示球的運(yùn)動速度、 運(yùn)動方向、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動方向、位置、加速度曲線、角加速度曲線等運(yùn)動狀態(tài)信息，禾Q/或通過 圖形技術(shù)顯示出球的運(yùn)動過程和/或軌跡。
如上所述的體育球類慣性測量系統(tǒng)，其一種實(shí)施方式是，將加速度傳感器的信號，傳輸 給球內(nèi)的處理器或可編程芯片進(jìn)行計(jì)算處理，再由球上的顯示屏或者LED顯示球的運(yùn)動狀態(tài) 信息。球上的顯示屏可以采用小塊的液晶顯示屏，其上面覆蓋較厚的透明軟塑料，以防止被 踢壞。
如上所述的體育球類慣性測量系統(tǒng)，其一種實(shí)施方式是，由球內(nèi)的處理器或可編程芯片 '采集加速度傳感器的信號，再傳輸給球外的手持接收設(shè)備的處理器或可編程芯片進(jìn)行計(jì)算處 理，然后在設(shè)備上顯示球的運(yùn)動狀態(tài)信息，還可以根據(jù)計(jì)算出的速度、位置和角速度，利用 圖形技術(shù)，在屏幕上顯示出球的運(yùn)動過程動畫和飛行軌跡。
如上所述的體育球類慣性測量系統(tǒng)，其一種實(shí)施方式是，由球內(nèi)的處理器或可編程芯片 采集加速度傳感器的信號，再傳輸給球外的計(jì)算機(jī)的中央處理器進(jìn)行計(jì)算處理，然后顯示球 的運(yùn)動狀態(tài)信息。還可以根據(jù)計(jì)算出的速度、位置和角速度，利用圖形技術(shù)，在屏幕上顯示 出球的運(yùn)動過程動畫和飛行軌跡。根據(jù)所述的體育球類慣性測量系統(tǒng)，球內(nèi)由一個(gè)多軸加速度傳感器或多個(gè)加速度傳感器
構(gòu)成的慣性測量單元。有四種基本配置方式
第一種，球內(nèi)六個(gè)加速度傳感器分別位于以球的重心為中心的正方體的六個(gè)面中心，敏 感軸沿著面對角線方向。這種方式測量精度高，安裝要求也較高。
第二種，球內(nèi)六個(gè)加速度傳感器分別位于以球的重心為中心的正方體的六個(gè)面中心，敏 感軸平行于正方體的棱的方向。這種方式測量精度比第一種稍低，但安裝較方便。
第三種，三個(gè)加速度傳感器敏感軸互相正交，交點(diǎn)位于球的重心， 一個(gè)三軸加速度傳感 器位于球的重心，三個(gè)敏感軸分別與前三個(gè)加速度傳感器的敏感軸重合。這種方式只能測角 速度的大小，不能測出角速度的方向，但只用四個(gè)加速度傳感器，有利于降低成本。
第四種， 一個(gè)三軸加速度傳感器位于球的重心處。這種方式體積最小，成本最低，但不 能測量角速度。適合用于體積小的球，例如網(wǎng)球。
這四種配置方式之間可以任意相互組合，構(gòu)成新的配置方式。
根據(jù)所述的體育球類慣性測量系統(tǒng)，其中的處理器或可編程邏輯芯片，主要用于對加速 度傳感器測得的加速度進(jìn)行計(jì)算處理，對加速度進(jìn)行積分算出速度，再對速度積分算出位置。 在使用球外的處理器進(jìn)行計(jì)算的實(shí)施例中，球內(nèi)的單片機(jī)僅負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)和控制通信模塊， 通過無線數(shù)字通信的方式傳送數(shù)據(jù)給球外的處理器計(jì)算處理。在要求低成本的情況下，也可
以使用有線傳輸?shù)姆绞絺魉蛿?shù)據(jù)。球外的處理器可以是單片機(jī)或者PC機(jī)的CPU。在某些實(shí)時(shí)性 要求更高的實(shí)施例中，用FPGA芯片、CPLD芯片、或GAL芯片等可編程邏輯芯片構(gòu)成計(jì)算電路， 代替處理器完成計(jì)算功能，以達(dá)到更高的計(jì)算速度。
根據(jù)所述的體育球類慣性測量系統(tǒng)，在應(yīng)用于充氣球類的實(shí)施例中，球內(nèi)安裝有氣壓傳 感器，監(jiān)測球是否漏氣。如果氣壓異?？梢园l(fā)出警報(bào)。
根據(jù)所述的體育球類慣性測量系統(tǒng)，在某些實(shí)施例中，加入流體力學(xué)計(jì)算程序，用于計(jì) 算旋球在飛行過程中因旋轉(zhuǎn)引起的偏移。
一種適用于游戲的體育球類慣性測量系統(tǒng)，包括用于游戲的球、處理器和顯示器，在球 內(nèi)安裝多個(gè)加速度傳感器或單個(gè)多軸加速度傳感器，將加速度傳感器的信號，傳輸給處理器進(jìn)行計(jì)算處理，然后在顯示器上顯示球的運(yùn)動狀態(tài)信息和/或球的運(yùn)動過程和/或軌跡。
本發(fā)明的效果是，可以非常方便地測量球速，并大幅度地降低了成本。使得測量系統(tǒng)具有體積小，質(zhì)量輕，成本低，功耗低，抗沖擊能力強(qiáng)，可以測高轉(zhuǎn)速等諸多優(yōu)點(diǎn)。能夠顯示球速、轉(zhuǎn)速、加速度曲線、角加速度曲線等運(yùn)動狀態(tài)信息，并且可以結(jié)合計(jì)算機(jī)三維圖形技術(shù)，顯示球的運(yùn)動過程動畫，以及球的飛行軌跡等。提供了適合于體育訓(xùn)練和比賽使用的測量各種球的球速、轉(zhuǎn)速和顯示球的運(yùn)動過程三維動畫，以及球的飛行軌跡的低成本技術(shù)方案。在足球、籃球、排球、橄欖球、鉛球、網(wǎng)球等體育球類中應(yīng)用，可以幫助體育教練和運(yùn)動員進(jìn)行技術(shù)分析。
例如在足球中運(yùn)用，能夠幫助球員進(jìn)行定位球、傳接球、守門員撲球等相關(guān)訓(xùn)練和測試。教練可以在球場或觀眾席上用筆記本電腦接收數(shù)據(jù)，能實(shí)時(shí)知道踢出球的球速及轉(zhuǎn)速，以及觀察球的三維運(yùn)動軌跡。這將非常有利于教練了解球員的技術(shù)水平，以及腳法、用力方向等是否正確，以便更好地對球員進(jìn)行指導(dǎo)。也有利于球員自我檢查、比較和提高。在足球比賽中使用，觀眾便可以在電視直播中看到球星每一腳射門的球速和轉(zhuǎn)速，以及足球的三維運(yùn)動軌跡，不再受到鏡頭的限制。
由于本系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)緊密結(jié)合，在電腦游戲和電子游戲上使用。比如作為球類游戲的輸入設(shè)備，其真實(shí)感是鍵盤鼠標(biāo)無法比擬的。


圖l是第一種加速度傳感器配置方式示意圖。圖中l(wèi)， 2， 3， 4， 5, 6為六個(gè)MEMS加速度傳感器，分別位于以球的重心為中心的正方體的六個(gè)面中心，敏感軸沿著面對角線方向，如箭頭所示。圖中的正方體是為方便理解各加速度傳感器的相對位置關(guān)系而畫出，并非實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的需要。
圖2是第二種加速度傳感器配置方式示意圖。圖中l(wèi), 2， 3， 4， 5, 6為六個(gè)加速度傳感器，分別位于以球的重心為中心的正方體的六個(gè)面中心，敏感軸平行于正方體的棱的方向，如箭頭所示。圖中的正方體是為方便理解各加速度傳感器的相對位置關(guān)系而畫出，并非實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的需要。
圖3是第三種加速度傳感器配置方式示意圖。圖中三個(gè)加速度傳感器l, 2， 3的敏感軸互 相正交，交點(diǎn)位于球的重心， 一個(gè)三軸加速度傳感器4位于球的重心，三個(gè)敏感軸分別與前三 個(gè)加速度傳感器的敏感軸重合。
圖4是第四種加速度傳感器配置方式示意圖。圖中l(wèi)為一個(gè)三軸加速度傳感器，位于球的 重心處。
圖5是本發(fā)明在足球中應(yīng)用的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。六個(gè)MEMS加速度傳感器1， 2， 3， 4， 5， 6 分別位于以足球的重心為中心的正方體的六個(gè)面中心，采用第一種配置方式，與圖1一致，故 此處不再標(biāo)出用于輔助理解的正方體和箭頭。7為單片機(jī)和射頻無線發(fā)射芯片構(gòu)成的電路板。 8為氣壓傳感器，9為計(jì)算機(jī)，IO為便攜式手持終端。
具體實(shí)施例方式
下面以木發(fā)明在足球中的應(yīng)用作為具體實(shí)施例，說明其工作過程。
如圖5所示，六個(gè)MEMS加速度傳感器1， 2， 3， 4， 5, 6分別位于以足球的重心為中心的正 方體的六個(gè)面中心，采用第一種配置方式，與圖1一致，故此處不再標(biāo)出用于輔助理解的正方 體和箭頭。7為單片機(jī)和射頻無線發(fā)射芯片構(gòu)成的電路板。8為氣壓傳感器，9為計(jì)算機(jī)，10 為便攜式手持終端。
六個(gè)加速度傳感器和氣壓傳感器都連接到電路板7上，由單片機(jī)內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換功能對六 個(gè)加速度傳感器和氣壓傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并按一定的時(shí)間間隔進(jìn)行采 樣，然后將采樣的數(shù)據(jù)通過射頻無線發(fā)射芯片發(fā)送給計(jì)算機(jī)或手持終端。球內(nèi)這部分電路利 用塑料泡沫將足球充滿的方式嵌在足球中，或在橡膠球膽中做出一個(gè)平面，將電路固定在平 面上。
計(jì)算機(jī)或手持終端根據(jù)加速度傳感器的數(shù)據(jù)計(jì)算出足球的速度(包括速度的方向)和轉(zhuǎn) 速(包括轉(zhuǎn)動的方向)，將數(shù)值顯示在屏幕上，再對速度進(jìn)行積分計(jì)算出足球的位置。利用計(jì) 算機(jī)三維圖形技術(shù)按一定時(shí)間間隔逐幀繪制出足球的位置，就形成了球的運(yùn)動過程動畫。再繪制出足球落地之前球心在空中經(jīng)過的多個(gè)位置點(diǎn)的連線，即形成軌跡。使用三維圖形技術(shù) 繪制出的三維圖形的好處是可以從任意角度進(jìn)行觀察。為了降低成本降低硬件要求，也可以 使用二維圖形技術(shù)繪制側(cè)視圖、前視圖或頂視圖。
計(jì)算機(jī)或手持終端在計(jì)算和繪圖完成之后自動將本次接收到的速度傳感器的數(shù)據(jù)保存， 作為歷史記錄，以后可以再次調(diào)用該數(shù)據(jù)計(jì)算并顯示出該次測量的結(jié)果和動畫。
計(jì)算機(jī)或手持終端如接收到氣壓報(bào)警信號，則在屏幕上顯示氣壓數(shù)值和氣壓不正常的警 告，并發(fā)出蜂鳴音。
將本發(fā)明的兒個(gè)特征重新組合，或者稍作修改和變動，即形成了新的技術(shù)方案，這些也屬于 本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)，均落在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種體育球類慣性測量系統(tǒng)，其特征是在球內(nèi)安裝多個(gè)加速度傳感器或單個(gè)多軸加速度傳感器，將加速度傳感器的信號，傳輸給處理器或可編程芯片進(jìn)行計(jì)算處理，然后顯示出球的運(yùn)動狀態(tài)信息和/或球的運(yùn)動過程和/或軌跡。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的體育球類慣性測量系統(tǒng)，其特征是將加速度傳感器的信號，傳輸給球內(nèi)的處理器或可編程芯片進(jìn)行計(jì)算處理，再由球上的顯示屏或者LED顯示球的運(yùn)動狀態(tài)信息。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的體育球類慣性測量系統(tǒng)，其特征在于由球內(nèi)的處理器或可編程 芯片采集加速度傳感器的信號，再傳輸給球外的手持接收設(shè)備的處理器或可編程芯片進(jìn)行計(jì) 算處理，然后在設(shè)備上顯示球的運(yùn)動狀態(tài)信息和/或球的運(yùn)動過程和/或軌跡。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的體育球類慣性測量系統(tǒng)，其特征在于由球內(nèi)的處理器或可編程 芯片采集加速度傳感器的信號，再傳輸給球外的計(jì)算機(jī)的處理器進(jìn)行計(jì)算處理，然后在顯示 器上顯示球的運(yùn)動狀態(tài)信息和/或球的運(yùn)動過程和/或軌跡。
5. —種適用于游戲的體育球類慣性測量系統(tǒng)，包括用于游戲的球、處理器和顯示器，其特 征是在球內(nèi)安裝多個(gè)加速度傳感器或單個(gè)多軸加速度傳感器，將加速度傳感器的信號，傳 輸給處理器進(jìn)行計(jì)算處理，然后在顯示器上顯示球的運(yùn)動狀態(tài)信息和Z或球的運(yùn)動過程和/或 軌跡。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的體育球類慣性測量系統(tǒng)，其特征在于所述的可編程芯片是包括FPGA芯片、CPLD芯片、GAL芯片在內(nèi)的可編程芯片。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的體育球類慣性測量系統(tǒng)，其特征在于球內(nèi)加速度傳感器 配置方式是以下四種中的一種，或多種的相互組合第一種，球內(nèi)六個(gè)加速度傳感器分別位于以球的重心為中心的正方體的六個(gè)面中心，敏感 軸沿著面對角線方向；第二種，球內(nèi)六個(gè)加速度傳感器分別位于以球的重心為中心的正方體的六個(gè)面中心，敏感 軸平行于正方體的棱的方向；第三種，三個(gè)加速度傳感器敏感軸互相正交，交點(diǎn)位于球的重心， 一個(gè)三軸加速度傳感器 位于球的重心，三個(gè)敏感軸分別與前三個(gè)加速度傳感器的敏感軸重合； 第四種， 一個(gè)三軸加速度傳感器位于球的重心處。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的體育球類慣性測量系統(tǒng)，其特征在于所采用的加速度 傳感器為MEMS加速度傳感器。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的體育球類慣性測量系統(tǒng)，其特征在于在充氣球類使用 的系統(tǒng)中，球內(nèi)安裝有氣壓傳感器。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的體育球類慣性測量系統(tǒng)，其特征在于加入流體力學(xué)計(jì) 算程序，計(jì)算出旋球在飛行過程中因旋轉(zhuǎn)引起的偏移。
全文摘要
一種體育球類慣性測量系統(tǒng)，適合于體育訓(xùn)練和比賽使用的測量各種球的球速、轉(zhuǎn)速和顯示球的運(yùn)動過程三維動畫、以及球的飛行軌跡的測量。在球內(nèi)安裝加速度傳感器，構(gòu)成慣性測量單元。通過采集球內(nèi)的加速度傳感器的信號，經(jīng)處理器或可編程芯片進(jìn)行計(jì)算處理，計(jì)算出球的運(yùn)動速度、運(yùn)動方向、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動方向、位置、加速度曲線、角加速度曲線等運(yùn)動狀態(tài)信息，并輸出顯示。還可以通過圖形技術(shù)顯示出球的運(yùn)動過程和飛行軌跡。
文檔編號A63B71/06GK101561450SQ20081006662
公開日2009年10月21日 申請日期2008年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月16日
發(fā)明者李學(xué)金, 陳昱全 申請人:深圳大學(xué)