基于姿态传感器的乒乓球智能运动系统及其计算方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于姿态传感器的乒乓球智能运动系统及其计算方法，将拍柄作为结构模型，用于装载硬件电路并替代乒乓球拍的手柄，由电源模块对硬件部分进行供电，由MPU9250芯片、STM32主控和蓝牙模块组成的九轴姿态传感器进行数据采集和传输，软件部分是基于安卓系统开发的应用APP，对九轴姿态传感器采集的各项数据进行编程，提取特征量，分析计算，得出结论以实现各项功能；所述MPU9250芯片采集数据，STM32主控进行处理后通过蓝牙模块发送至应用APP，并记录显示出打球动作，挥拍次数，消耗能量等数据信息，该系统结合云服务器，实现了用户运动数据的远程同步，为用户搭建了深入沟通交流的社区平台。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及乒乓球智能运动
，具体为一种基于姿态传感器的乒乓球智能运动系统及其计算方法。
技术介绍
乒乓球作为我国的国球，深受国人喜爱，拥有庞大的爱好者群体。为了进一步提高该项运动的趣味性及爱好者的打球技能，开发了乒乓球智能监测系统。该系统主要包括嵌入到乒乓球拍柄内的硬件电路以及基于安卓的APP应用软件，其中硬件电路通过蓝牙无线通讯将姿态传感器获取的运动数据传输给手机，APP软件进一步提取出若干手势特征量，并由决策树分类器进行处理，可识别常用的多种打球姿势，大量实验表明平均手势识别率大于90%。此外，该系统结合云服务器，实现了用户运动数据的远程同步，为用户搭建了深入沟通交流的社区平台。
技术实现思路
针对以上问题，本专利技术提供了一种基于姿态传感器的乒乓球智能运动系统，可以有效解决
技术介绍
中的问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于姿态传感器的乒乓球智能运动系统，包括拍柄，其特征在于，将拍柄作为结构模型，用于装载硬件电路并替代乒乓球拍的手柄，所述的拍柄通过硬件电路与移动终端连接并进行运动数据传送；所述的硬件电路包括电源模块和九轴姿态传感器，所述的电源模块由充电指示电路、带有过电保护的大容量锂离子可充电电池和电源开关组成，所述的九轴姿态传感器由MPU9250芯片、STM32主控和蓝牙模块组成；所述充电指示电路连接大容量锂离子可充电电池，由所述MPU9250芯片采集数据，通过STM32主控进行处理，并通过蓝牙模块发送至移动终端，并由大容量锂离子可充电电池通过电源开关对九轴姿态传感器各部件进行供电；移动终端内装有基于安卓系统开发的应用APP，对九轴姿态传感器采集的各项数据进行分析，得出结论以实现各项功能。进一步的，所述充电指示电路选用LM358芯片、LED灯、二极管、电阻以及电容器件，构成一个比较器，经过比较器同相、反相两端电压的比较，输出端输出不同的电平状态，从而控制LED灯的亮灭，指示充电状态，充电接口则为常见的MicroUSB。进一步的，所述MPU9250芯片集成了高精度的陀螺仪、加速度计和地磁场传感器，该九轴姿态传感器集成了STM32主控模块和蓝牙模块，STM内嵌了多种回归算法，将采集的九个原始数据转化成表示姿态的四元数。蓝牙模块可以将四元数传输给移动终端，进行进一步处理。进一步的，所述应用APP包括：运动模式分为实时训练模式和单项训练模式；计算用户运动消耗的能量；运动后数据可存储到云端服务器；提供一个进行沟通交流互联网虚拟社区。进一步的，所述的拍柄卸除了乒乓球拍手柄两侧的拍柄，据掉手柄处部分底板面材，根据球拍拍柄的特点，拍柄底部还设计了一个盖子，盖子上有电源开关、MicroUSB、LED灯的接口，还能固定硬件电路板，且该拍柄的尺寸和常规乒乓球拍柄尺寸完全一致。基于权利要求1至6任一权利要求所述系统的计算方法，包括：步骤一，拍柄内的九轴姿态传感器进行手势数据截取和其他数据采集并对采集的数据进行预处理；步骤二，硬件电路通过蓝牙无线通讯将九轴姿态传感器采集的运动数据传输到移动终端中的应用APP；步骤三，移动终端中的应用APP进行采集数据进行特征量的提取和手势分析，通过固定阈值法去除干扰类动作；步骤四，应用APP对特征量再次进行处理，通过决策树法进行打球动作的识别、挥拍次数的记录、挥拍速度和卡路里消耗的计算，并进行实时显示。进一步的，步骤一中的采样频率为100Hz，所述的预处理为将MPU9250芯片内的三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴电子罗盘采集的数据进行AD转换后传输给CPU，进行动态滤波、姿态解算、信息融合后，得出3D姿态信息，即俯仰角、横滚角和方向角。进一步的，步骤三中所述的固定阈值法确定加速度起点及终点的阈值δth1=0.4g；所述的特征量包括，手势截取采样数L：手势运动中从起点到终点的数据采样个数；手势运动总能量E：动作总能量，用于衡量手势运动的剧烈程度，计算模型：E=；手势运动平均能量：每个手势动作的能量特征均值，计算模型：AverageE=E/L；手势加速度能:手势在运动过程中的各个轴加速度能量的总和，计算模型：；加速度峰谷特性:x、y、z三个轴上的加速度波峰波谷的数量具有明显差异；其中，L为手势截取采样数，wxi、wyi、wzi分别为手势在x、y、z三个轴上的角速度,axi、ayi、azi分别为手势在x、y、z三个轴上的加速度。进一步的，步骤四中乒乓球运动卡路里消耗数值计算模型为：乒乓球运动卡路里消耗值=4.0（运动强度MET）*运动时间*体重（KG）*0.0167。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、充电指示功能：充电过程中绿色LED灯亮，红色LED灯灭，充电完成后红色LED灯亮，绿色LED灯灭。2、当用户使用该球拍进行挥拍、击球等动作时，可以记录用户的击球次数和姿势。3、可以对用户的动作进行技术分析和矫正。4、通过分析用户的击球次数和姿势。5、计算用户运动过程中消耗的热量。6、将用户数据保存到云端。7、APP提供一个了属于乒乓球爱好者的社交平台，以便用户之间进行技术和心得的交流，认识志同道合的伙伴，促进乒乓球的推广和发展。附图说明图1为本专利技术整体结构框图；图2为本专利技术实施例中动作分类决策树示意图；图3为本专利技术主线程示意图；图4为本专利技术实施例中利用LM358芯片构成电压比较器电路原理图；图5为本专利技术实施例中电压比较器的电压传输特性曲线图；图6为本专利技术实施例中充电指示电路的电路原理图；图7为本专利技术实施例中一次动作的加速度差分值示意图；图8为本专利技术加速度峰谷特性曲线及波峰波谷数选取示意图；图9为本专利技术搓球手势数据曲线图；图10为本专利技术削球手势数据曲线图；图11为本专利技术扣杀手势数据曲线图；图12为本专利技术快拨手势数据曲线图；图13为本专利技术平击快攻手势数据曲线图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例：参照图1所示，本专利技术提供一种技术方案：一种基于姿态传感器的乒乓球智能运动系统，包括拍柄，其特征在于，将拍柄作为结构模型，用于装载硬件电路并替代乒乓球拍的手柄，所述的拍柄通过硬件电路与移动终端连接并进行运动数据传送；所述的硬件电路包括电源模块和九轴姿态传感器，所述的电源模块由充电指示电路、带有过电保护的大容量锂离子可充电电池和电源开关组成，所述的九轴姿态传感器由MPU9250芯片、STM32主控和蓝牙模块组成；所述充电指示电路连接大容量锂离子可充电电池，由所述MPU9250芯片采集数据，通过STM32主控进行处理，并通过蓝牙模块发送至移动终端，并由大容量锂离子可充电电池通过电源开关对九轴姿态传感器各部件进行供电；移动终端内装有基于安卓系统开发的应用APP，对九轴姿态传感器采集的各项数据进行分析，得出结论以实现各项功能。充电指示电路：参考附图4、5、6，所述充电指示电路选用LM358芯片、LED灯、二极管、电阻以及电容器件，构成一个比较器，经过比较器同相、反相两端电压的比较，输出端输出不同的电平状态，从而控制LED灯的亮灭，起到充电中与充本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于姿态传感器的乒乓球智能运动系统，包括拍柄，其特征在于，将拍柄作为结构模型，用于装载硬件电路并替代乒乓球拍的手柄，所述的拍柄通过硬件电路与移动终端连接并进行运动数据传送；所述的硬件电路包括电源模块和九轴姿态传感器，所述的电源模块由充电指示电路、带有过电保护的大容量锂离子可充电电池和电源开关组成，所述的九轴姿态传感器由MPU9250芯片、STM32主控和蓝牙模块组成；所述充电指示电路连接大容量锂离子可充电电池，由所述MPU9250芯片采集数据，通过STM32主控进行处理，并通过蓝牙模块发送至移动终端，并由大容量锂离子可充电电池通过电源开关对九轴姿态传感器各部件进行供电；移动终端内装有基于安卓系统开发的应用APP，对九轴姿态传感器采集的各项数据进行分析，得出结论以实现各项功能。

【技术特征摘要】
1.一种基于姿态传感器的乒乓球智能运动系统，包括拍柄，其特征在于，将拍柄作为结构模型，用于装载硬件电路并替代乒乓球拍的手柄，所述的拍柄通过硬件电路与移动终端连接并进行运动数据传送；所述的硬件电路包括电源模块和九轴姿态传感器，所述的电源模块由充电指示电路、带有过电保护的大容量锂离子可充电电池和电源开关组成，所述的九轴姿态传感器由MPU9250芯片、STM32主控和蓝牙模块组成；所述充电指示电路连接大容量锂离子可充电电池，由所述MPU9250芯片采集数据，通过STM32主控进行处理，并通过蓝牙模块发送至移动终端，并由大容量锂离子可充电电池通过电源开关对九轴姿态传感器各部件进行供电；移动终端内装有基于安卓系统开发的应用APP，对九轴姿态传感器采集的各项数据进行分析，得出结论以实现各项功能。2.根据权利要求1所述的一种基于姿态传感器的乒乓球智能运动系统，其特征在于，所述充电指示电路选用LM358芯片、LED灯、二极管、电阻以及电容器件，构成一个比较器，经过比较器同相、反相两端电压的比较，输出端输出不同的电平状态，从而控制LED灯的亮灭，指示充电状态，充电接口则为常见的MicroUSB。3.根据权利要求1所述的一种基于姿态传感器的乒乓球智能运动系统，其特征在于，所述MPU9250芯片集成了高精度的陀螺仪、加速度计和地磁场传感器；该九轴姿态传感器集成的STM主控模块内嵌了多种回归算法，将采集的九个原始数据转化成表示姿态的四元数，蓝牙模块可以将四元数传输给移动终端，进行进一步处理。4.根据权利要求1所述的一种基于姿态传感器的乒乓球智能运动系统，其特征在于，所述应用APP包括：运动模式分为实时训练模式和单项训练模式；计算用户运动消耗的能量；运动后数据可存储到云端服务器；提供一个进行沟通交流互联网虚拟社区。5.根据权利要求1所述的一种基于姿态传感器的乒乓球智能运动系统，其特征在于，所述的拍柄卸除了乒乓球拍手柄两侧的拍柄，据掉手柄处部分底板面材，根据球拍拍柄的特点，拍柄底部还设计了一个盖子，盖子上有电源开关、M...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁召峰，
申请(专利权)人：深圳职业技术学院，
类型：发明
国别省市：广东;44