[发明专利]一种用于测量球拍六自由度运动数据的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于传感器与电子通讯技术的新型球拍，属于电子信息、自动化与计算机领域。特别地，涉及一种在真实球拍的手柄处植入传感器的设计方式并通过间接测量的方法还原出拍头也就是击球部位运动数据的方法。

背景技术

随着信息科学的发展，体感运动的兴起让越来越多的人机交互产品具有了体感的特征。如联想公司的3D体感控制器鼠标，任天堂的wii游戏主机，微软的XBOX Kinect等。这些设备通过内置传感器或者外置摄像头的方式，来获得人体的运动数据从而实现人机交互。而目前在真实的网球拍、羽毛球拍、乒乓球拍等，内置传感器用以实时或离线捕捉运动数据的方法还没有出现。主要原因在于真实的球拍所需要的测量的重点是击球部位的运动信息，也就是拍头的运动信息，但是将传感器放在真实球拍的击球部位是非常困难的，尤其是真实的网球拍、羽毛球拍和乒乓球拍，放置在拍头哪怕任何一个轻量级的传感器都会给球拍的运动性能产生重大影响，让使用者的运动体验感大打折扣，并容易受到外力的损坏；再者可以测量三维空间位移和旋转角度，能够独立工作并具有无线传输功能的芯片模块，有一定的体积，很难放入羽毛球拍、网球拍和乒乓球拍的拍头部分。

发明内容

本发明为了解决直接在真实球拍的击球部位放置传感器的不便，设计并实现了一种在球拍手柄(手握处)内置传感器的球拍，并提出了一种基于刚体特性的间接测量拍头运动信息的方法。该方法可以通过放置在手柄的传感器所测量得到的运动数据间接的计算得到拍头中心点的三维位移和旋转角度信息，既可以方便的对运动员在真实训练和比赛中进行运动数据采集，又对真实球拍的运动性能几乎不产生影响。

本发明设计了一种在真实球拍中内置传感器的新型产品，并通过间接测量的方法，计算得到球拍的拍头的击球部位沿三维空间内的轴向位移和旋转角度一共六自由度的运动数据。测量得到的运动数据将以无线通讯的方式传输到PC、平板电脑和手机智能设备中，用以实时的进行运动数据分析、模拟仿真训练和其他人机交互使用；或将运动数据存储在内置存储器中，用以比赛之后离线的数据分析和其他使用。特别的，进一步设计了多个节点入网的综合控制方法，实现了多个用户的数据的同时采集以及多用户运动数据的实时交互。

本发明所述的体感球拍主要包括一个采用无线技术的上位机接收模块和嵌入在球拍上的无线传感综合模块。所述的无线传感综合模块用于采集用户挥动球拍时，球拍或球拍中所嵌入的无线传感综合模块的六自由度的运动数据，并将运动数据以无线方式传输给上位机接收模块。所述的无线传感综合模块包括三轴加速度传感器、三轴角度传感器、数据存储单元、信号调理单元、中央处理单元、无线传输模块和电源单元。所述的上位机接收模块包括无线传输模块，USB/UART接口转换芯片、电源芯片以及USB接口，可实现即插即用。

所述无线传感综合模块设计上以小型化、轻量化为核心理念，采用集成度较高的芯片，以减小综合模块电路板的大小和重量，使其可以方便的嵌入到球拍的末端(人手握处)，之所以嵌入到球拍的手柄末端，是因为球拍的拍头无法嵌入芯片。由于其重量较轻，且设计为内嵌入方式附加在球拍中，因此不会为用户带来额外的负担。特别的，用户在进行真实的比赛过程中，可以嵌入该无线传感综合模块，用于实时检测运动员的挥拍的动作数据等，或记录下动作数据用于赛后的分析。本发明设计为无线传感综合模块与真实的球拍可分离式，即用户可以直接使用球拍进行室内或室外运动，不需要一定配有该模块；此外，此设计也便于给无线传感综合模块充电。

本发明有两种工作模式可供选择，第一种工作模式为实时人机交互模式，球拍运动信息直接通过无线传输模块的发送端传递给上位机接收模块中的无线传输模块的接收端，上位机接收模块实时得到用户挥拍的动作数据用作实时数据分析与检测，或模拟仿真训练和人机交互使用。第二种工作模式为离线模式，可以用于真实比赛或者其他户外实际运动时，所有数据存储在数据存储单元的闪存(数据存储单元)中，运动完毕后直接将闪存与上位机电脑等终端连接，使用配套软件实现运动数据的分析等功能。

特别地，由于在实际的运动中，击球的部位是拍头。而无线传感综合模块所测量的数据球拍的末端(嵌入芯片的手柄处)的运动数据，而更重要的和用户最关心的是获得拍头的运动，本发明中设计了一种由所测量的球拍的末端的运动数据计算得到拍头的运动数据的方法。其原理是利用球拍的刚体性质，在球拍局部坐标系下，拍头与手柄只有位置差异(如沿着拍子纵向相差一个距离而已)，而作为一个整体的刚体球拍各个部位是没有姿态差异的。因此可以利用球拍本身的局部坐标系向世界坐标系转换的方法来实现拍头的运动数据的获取。