一种体育球类惯性测量系统技术方案

一种体育球类惯性测量系统，适合于体育训练和比赛使用的测量各种球的球速、转速和显示球的运动过程三维动画、以及球的飞行轨迹的测量。在球内安装加速度传感器，构成惯性测量单元。通过采集球内的加速度传感器的信号，经处理器或可编程芯片进行计算处理，计算出球的运动速度、运动方向、转速、转动方向、位置、加速度曲线、角加速度曲线等运动状态信息，并输出显示。还可以通过图形技术显示出球的运动过程和飞行轨迹。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种适用于体育球类的惯性测量系统，尤其是用于足球、篮球、排球、橄榄 球、铅球、实心球、网球等体育球类的惯性测量系统。
技术介绍
目前，体育上用于测球速的主要技术是雷达测速。其原理是向运动物体发射电磁波，根 据多普勒效应，反射回来的电磁波频率发生变化，由此可测出运动物体的速度。这是目前在 球类运动中运用较多的测速方法，它的缺点是需要在球飞出的时候对着球测试，会由于场上 的球员挡住而无法测试，测试距离短，约20米左右，所以多在场地较小并且场上球员少的网 球比赛中使用。并且不能测球的转速和轨迹。德国的"智能足球(Smart Ball)"方案，是在足球中加入信号发射芯片，在足球场上设 置12个接收器对信号进行跟踪定位(原理类似于GPS定位)，可以精确判断足球是否出界或进 入球门线等等，也能够计算出球速。但由于其一套设备的费用高达2000万英镑而难以推广使 用。也不能测球的转速。所以，现有技术存在着测球速技术使用不方便和成本过高的问题。目前并没有适合于体 育训练和比赛使用的测量各种球的球速、转速和显示球的运动过程三维动画，以及球的飞行 轨迹的低成本技术方案。近年来，由于MEMS (Micro Electronic Mechanical System微电子机械系统)技术的迅 速发展，加速度传感器也得到了迅速发展。MEMS技术是建立在微米/纳米技术基础上的21世纪 前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。它可将机械构 件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。它用微电子技术和微 加工技术(包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片键合等技术)相结合的制造工艺，制 造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。正是由于采用 了MEMS技术，使得加速度传感器尺寸大大縮小， 一个MEMS加速度传感器只有指甲盖的几分之 一大小。基于MEMS技术生产的加速度传感器具有体积小、质量轻、能耗低、成本低、抗冲击 能力强(可达5000g，所以放在足球中也没问题)、可靠性高等优点。本专利技术利用先进的MEMS加速度传感器技术，运用惯性测量的方法来测量各种体育球类的 球速、转速和轨迹。
技术实现思路
本专利技术提供一种体育球类惯性测量系统，以解决现有测球速技术使用不方便、成本过高 以及不能显示球的轨迹等问题。本专利技术利用先进的MEMS加速度传感器技术，运用惯性测量的方法来测量各种体育球类的 球速、转速和轨迹。具有体积小，质量轻，成本低，功耗低，抗冲击能力强，可以测高转速 等诸多优点。能够显示球速、转速、加速度曲线、角加速度曲线等运动状态信息，并且可以 结合计算机三维图形技术，显示球的运动过程动画，以及球的6行轨迹等。本专利技术所采用的技术方案一种体育球类惯性测量系统，在球内安装多个加速度传感器或单个多轴加速度传感器， 将加速度传感器的信号，传输给处理器或可编程芯片进行计算处理，然后显示球的运动速度、 运动方向、转速、转动方向、位置、加速度曲线、角加速度曲线等运动状态信息，禾Q/或通过 图形技术显示出球的运动过程和/或轨迹。如上所述的体育球类惯性测量系统，其一种实施方式是，将加速度传感器的信号，传输 给球内的处理器或可编程芯片进行计算处理，再由球上的显示屏或者LED显示球的运动状态 信息。球上的显示屏可以采用小块的液晶显示屏，其上面覆盖较厚的透明软塑料，以防止被 踢坏。如上所述的体育球类惯性测量系统，其一种实施方式是，由球内的处理器或可编程芯片 '采集加速度传感器的信号，再传输给球外的手持接收设备的处理器或可编程芯片进行计算处 理，然后在设备上显示球的运动状态信息，还可以根据计算出的速度、位置和角速度，利用 图形技术，在屏幕上显示出球的运动过程动画和飞行轨迹。如上所述的体育球类惯性测量系统，其一种实施方式是，由球内的处理器或可编程芯片 采集加速度传感器的信号，再传输给球外的计算机的中央处理器进行计算处理，然后显示球 的运动状态信息。还可以根据计算出的速度、位置和角速度，利用图形技术，在屏幕上显示 出球的运动过程动画和飞行轨迹。根据所述的体育球类惯性测量系统，球内由一个多轴加速度传感器或多个加速度传感器构成的惯性测量单元。有四种基本配置方式第一种，球内六个加速度传感器分别位于以球的重心为中心的正方体的六个面中心，敏 感轴沿着面对角线方向。这种方式测量精度高，安装要求也较高。第二种，球内六个加速度传感器分别位于以球的重心为中心的正方体的六个面中心，敏 感轴平行于正方体的棱的方向。这种方式测量精度比第一种稍低，但安装较方便。第三种，三个加速度传感器敏感轴互相正交，交点位于球的重心， 一个三轴加速度传感 器位于球的重心，三个敏感轴分别与前三个加速度传感器的敏感轴重合。这种方式只能测角 速度的大小，不能测出角速度的方向，但只用四个加速度传感器，有利于降低成本。第四种， 一个三轴加速度传感器位于球的重心处。这种方式体积最小，成本最低，但不 能测量角速度。适合用于体积小的球，例如网球。这四种配置方式之间可以任意相互组合，构成新的配置方式。根据所述的体育球类惯性测量系统，其中的处理器或可编程逻辑芯片，主要用于对加速 度传感器测得的加速度进行计算处理，对加速度进行积分算出速度，再对速度积分算出位置。 在使用球外的处理器进行计算的实施例中，球内的单片机仅负责采集数据和控制通信模块， 通过无线数字通信的方式传送数据给球外的处理器计算处理。在要求低成本的情况下，也可以使用有线传输的方式传送数据。球外的处理器可以是单片机或者PC机的CPU。在某些实时性 要求更高的实施例中，用FPGA芯片、CPLD芯片、或GAL芯片等可编程逻辑芯片构成计算电路， 代替处理器完成计算功能，以达到更高的计算速度。根据所述的体育球类惯性测量系统，在应用于充气球类的实施例中，球内安装有气压传 感器，监测球是否漏气。如果气压异常可以发出警报。根据所述的体育球类惯性测量系统，在某些实施例中，加入流体力学计算程序，用于计 算旋球在飞行过程中因旋转引起的偏移。一种适用于游戏的体育球类惯性测量系统，包括用于游戏的球、处理器和显示器，在球 内安装多个加速度传感器或单个多轴加速度传感器，将加速度传感器的信号，传输给处理器进行计算处理，然后在显示器上显示球的运动状态信息和/或球的运动过程和/或轨迹。本专利技术的效果是，可以非常方便地测量球速，并大幅度地降低了成本。使得测量系统具有体积小，质量轻，成本低，功耗低，抗冲击能力强，可以测高转速等诸多优点。能够显示球速、转速、加速度曲线、角加速度曲线等运动状态信息，并且可以结合计算机三维图形技术，显示球的运动过程动画，以及球的飞行轨迹等。提供了适合于体育训练和比赛使用的测量各种球的球速、转速和显示球的运动过程三维动画，以及球的飞行轨迹的低成本技术方案。在足球、篮球、排球、橄榄球、铅球、网球等体育球类中应用，可以帮助体育教练和运动员进行技术分析。例如在足球中运用，能够帮助球员进行定位球、传接球、守门员扑球等相关训练和测试。教练可以在球场或观众席上用笔记本电脑接收数据，能实时知道踢出球的球速及转速，以及观察球的三维运动轨迹。这将非常有利于教练了解球员的技术水平，以及脚法、用力方向等是否正确，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种体育球类惯性测量系统，其特征是：在球内安装多个加速度传感器或单个多轴加速度传感器，将加速度传感器的信号，传输给处理器或可编程芯片进行计算处理，然后显示出球的运动状态信息和／或球的运动过程和／或轨迹。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈昱全，李学金，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：94[中国|深圳]