[发明专利]一种基于运动轨迹的乒乓球旋转估计方法及其应用

说明书

本发明公开了一种基于运动轨迹的乒乓球旋转估计方法及其应用，该方法包括：1、拟合马格努斯力系数与球线速度、角速度的关系；2、基于所述马格努斯力系数与球线速度、角速度的拟合关系，利用乒乓球飞行的新轨迹构建角速度矢量方向的线性方程组并进行求解，得到乒乓球旋转角速度矢量的方向角；3、基于所述乒乓球旋转角速度矢量的方向，利用乒乓球飞行的新轨迹构建旋转角速度模的非线性函数并求解其最小值，得到乒乓球旋转角速度的模。本发明能准确地估计球在飞行中的旋转速度，从而能提高乒乓球轨迹预测的精度。

技术领域

本发明公开了一种基于运动轨迹的乒乓球旋转估计方法，属于机器人技术领域。

背景技术

乒乓球作为我国的国球，对于我国的体育事业具有重大的影响。随着计算机、光学、自动控制等新型技术的兴起，除了人人对打这一传统的竞技模式以外，人机对打(VR游戏、人 -机器人对打)逐渐步入了我们的生活中，大大增强了乒乓球运动的趣味性。因此，如何尽可能地将真实的乒乓球运动结合到虚拟世界中，如何高效地感知乒乓球的运动性质，提升人类- 机器人乒乓球对战的效果是急需解决的问题。

旋转是乒乓球运动的精髓，而高速旋转是乒乓球运动相比于其他球类运动所没有的，因此，准确地估计旋转是实现人机对打的关键。乒乓球的飞行轨迹和飞行线速度、旋转角速度、空气阻力系数、马格努斯力系数有关，且呈高度非线性。球的飞行方式也确定了球上商标的运动特性。如何利用有效信息(如球轨迹、球商标)准确估算球的旋转参数是至关重要的一步。

现有方法虽然能在某种程度上解决旋转估计的问题，然而仍有一定的局限性，具体表现如下：

1、基于商标识别的旋转估计很大程度上依赖于长焦镜头、高帧率的相机和快速的视觉实时处理，对硬件的要求较高，且需要保证球能处在相机的合适视野范围内，大大增加了工作量。

2、现有的基于运动轨迹的旋转估计中，较为常见的做法是将空气阻力系数(k_d)、马格努斯力系数(k_m)看作预先设好的常值。这其中有两点局限性：a.k_d,k_m与空气湿度、温度、球的线速度和旋转角速度等参数有关，直接将其定为常值无法囊括不同球速、不同空气温度的情况；b.事实上k_d,k_m与球的线速度和旋转角速度的比值呈非线性关系，所以球在飞行过程中随着球线速度的衰减，k_d,k_m也势必有变化，不符合“常数”的假设。

现有公开号为CN110941795A的专利提出了一种基于随机采样一致算法的旋转角速度估计方法。该方法首先通过函数拟合得到球的飞行轨迹，并采用递归最小二乘法获取球的速度和加速度，再计算各时刻马格努斯力的单位向量，最终基于采样一致算法得到乒乓球的旋转角速度。但该方法认为马格努斯力系数提前已知，未考虑其随球线速度、角速度的变化，无法保证旋转估计的精度。

现有公开(公告)号为CN110458281A(CN110458281B)的专利提供了一种基于深度强化学习的乒乓球旋转速度预测方法。该方法首先将来球位置进行归一化，再将该归一化序列输入到深度LSTM网络中，最终将得到的LSTM的状态向量输入到旋转估计网络中得到入射旋转速度。然而，该方法同样未考虑变化的马格努斯力系数对旋转估计的影响，无法保证旋转估计的精度。且这类基于网络的方法需要大量的数据样本，前期工作复杂耗时。

发明内容

本发明为了解决上述现有技术的不足之处，提出了一种基于运动轨迹的乒乓球旋转估计方法及其应用，以期能准确地估计球在飞行中的旋转速度，从而能提高乒乓球轨迹预测的精度。

为达到上述发明目的，采用如下技术方案：

本发明一种基于运动轨迹的乒乓球旋转估计方法的特点在于，所述方法包括：