专利名称：一种运动练习拍的运动数据处理方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及运动识别领域，尤其涉及一种运动练习拍的运动数据处理方法及系统。
背景技术：
在人们进行各种运动时，往往希望能够直观的看到自己进行运动时的运动轨迹、力量、速度、位置等信息，尤其是对于专业的运动员来说，这些信息能够有助于提高训练效果，纠正一些不良的动作习惯等。对运动的识别首先需要对运动参数进行分析，运动参数的分析指的是以一定时间间隔密集地收集运动物体在一段运动过程中的每一时刻的物体在三维空间的空间位置(空间坐标)，物体的姿态以及线速度等。对运动参数进行定量分析的应用领域不仅在于运动辅助、运动练习器材，同样可以应用在其他领域，如游戏，多媒体，机器人等。现有技术中，运动识别技术主要包括:图像法、PSD (位置敏感探测)阵列加MEMS传感器检测法、激光定位和MEMS传感器检测法。图像法指的是利用摄像头来拍摄物体运动时的一系列图像，然后经过图像处理、特征提取、目标特征点匹配从而获取运动参数；后面两种方法都是检测物体的三维运动及运动参数。但上述方法都存在一些不足:采样外置摄像头或外置定位检测装置，这不仅增加了图像处理的预算量，还增加了成本，并且整个处理系统复杂、使用不方便，容易受到背景光及环境的影响。现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种运动练习拍的运动数据处理方法及系统，旨在解决现有的运动识别方法运算量大、处理过程复杂、容易受到环境影响的问题。本发明的技术方案如下:
一种运动练习拍的运动数据处理方法，其中，包括步骤:
A、通过设置在运动练习拍的运动传感器，以预定的时间间隙采集所述运动练习拍的运动数据，形成一段时间内的多个采样点；
B、对各个采样点的运动数据进行数据预处理，消除运动传感器的自身零飘以及周围环境的电磁干扰；
C、根据数据预处理后的运动数据计算运动练习拍在各个采样点相对于参考坐标系的姿态角，并根据所述姿态角以及运动数据得到运动练习拍在各个采样点的受力信息、转动信息以及空间位置信息；
D、根据运动练习拍在各个采样点的受力信息、转动信息以及空间位置信息得到用户使用运动练习拍的力量、速度、角度信息以及运动轨迹，并将得到的力量、速度、角度信息以及运动轨迹输出显示。所述的运动练习拍的运动数据处理方法，其中，所述步骤A中，所述运动传感器包括加速度计、陀螺仪及磁力计，运动数据包括通过加速度计采集的加速度、陀螺仪采集的角速度以及磁力计采集的地磁场在运动练习拍当前时刻所处姿态下的三轴向分量。所述的运动练习拍的运动数据处理方法，其中，所述数据预处理包括:
预先通过加速度计采集在不同姿态下的加速度预期值的预期值矩阵以及加速度测量值的测量值矩阵得到校准矩阵，通过所述校准矩阵对各个采样点的加速度进行校准处理；预先多次测量陀螺仪在静止状态下的角速度，并计算测量的多个角速度的平均值作为陀螺仪的零漂偏移量，将各个采样点的角速度减去所述零漂偏移量得到预处理后的角速度；
预先通过磁力计采集运动练习拍的磁场矩阵以及三轴平方和矩阵，通过最小均方误差处理得到磁力计的硬磁干扰向量，将各个采样点的三轴向分量减去所述硬磁干扰向量得到预处理后的三轴向分量。所述的运动练习拍的运动数据处理方法，其中，所述姿态角包括:翻滚角ROLL，俯仰角PITCH和方位角YAW ；
R0LL = -asin ( ACCx )，PITCH = atan2 ( ACCy,ACCz )，YAW=atan2 (MagJi * Magy ), MagJt, Magy
是磁力计测量值的X、Y轴向分量分别在参考水平面的投影值，Accx.AccyjAccz
是加速度计测量值在刚体坐标系下的加速度三轴向分量。所述的运动练习拍的运动数据处理方法，其中，所述步骤C具体包括:
Cl、通过运动练习拍在各个采样点相对于参考坐标系的姿态角，计算出各个采样点在载体坐标系相对于参考坐标系的转换矩阵；
C2、通过每一采样点在载体坐标系下的加速度矩阵以及所述转换矩阵，计算出每一采样点在参考坐标系的加速度矩阵；
C3、将每一采样点的在参考坐标系下的加速度矩阵减去重力加速度向量得到消除地球重力影响后的加速度矩阵，并计算每一采样点相对于参考坐标系的速度矩阵；
C4、根据所述速度矩阵和消除地球重力影响后的加速度矩阵计算出每一采样点的位移向量矩阵，由所述位移向量矩阵、消除重力影响后的加速度矩阵以及姿态角得到运动练习拍在各个采样点的受力信息、转动信息以及空间位置信息。所述的运动练习拍的运动数据处理方法，其中，所述步骤C4中，运动练习拍在各个采样点的受力F为:
F= *K, K是为运动练习拍的转换系数，I7ttO为消除重力影响后的加速度矩阵。一种运动练习拍的运动数据处理系统，其中，包括:
运动数据采集模块，用于通过设置在运动练习拍的运动传感器，以预定的时间间隙采集所述运动练习拍的运动数据，形成一段时间内的多个采样点；
数据预处理模块，用于对各个采样点的运动数据进行数据预处理，消除运动传感器的自身零飘以及周围环境的电磁干扰；
采样点信息获取模块，用于根据数据预处理后的运动数据计算运动练习拍在各个采样点相对于参考坐标系的姿态角，并根据所述姿态角以及运动数据得到运动练习拍在各个采样点的受力信息、转动信息以及空间位置信息；
运动识别模块，用于根据运动练习拍在各个采样点的受力信息、转动信息以及空间位置信息得到用户使用运动练习拍的力量、速度、角度信息以及运动轨迹，并将得到的力量、速度、角度信息以及运动轨迹输出显示。所述的运动练习拍的运动数据处理系统，其中，所述运动传感器包括加速度计、陀螺仪及磁力计，运动数据包括通过加速度计采集的加速度、陀螺仪采集的角速度以及磁力计采集的地磁场在运动练习拍当前时刻所处姿态下的三轴向分量。所述的运动练习拍的运动数据处理系统，其中，所述采样点信息获取模块包括: 第一计算单元，用于通过运动练习拍在各个采样点相对于参考坐标系的姿态角，计算
出各个米样点在载体坐标系相对于参考坐标系的转换矩阵；
第二计算单元，用于通过每一采样点在载体坐标系下的加速度矩阵以及所述转换矩阵，计算出每一采样点在参考坐标系的加速度矩阵；
第三计算单元，用于将每一采样点的在参考坐标系下的加速度矩阵减去重力加速度向量得到消除地球重力影响后的加速度矩阵，并计算每一采样点相对于参考坐标系的速度矩阵；
信息获取单元，用于根据所述速度矩阵和消除地球重力影响后的加速度矩阵计算出每一采样点的位移向量矩阵，由所述位移向量矩阵、消除重力影响后的加速度矩阵以及姿态角得到运动练习拍在各个采样点的受力信息、转动信息以及空间位置信息。有益效果:本发明通过对运动数据进行数据预处理，从而消除了运动传感器的自身零飘以及周围环境的电磁干扰，并且根据计算得到的姿态角以及运动数据获得了运动练习拍在各个采样点的受力信息、转动信息以及空间位置信息，最后使用户直观的看到了用户使用运动练习拍的力量、速度、角速度信息以及运动轨迹，本发明的方法数据处理量小，运算简单，在保证了一定精度的情况下，能够快速获得运动练习拍在空间的姿态角，减少了积分误差效应，可长时间使用。
图1为本发明运动练习拍的运动数据处理方法较佳实施例的流程图。图2为图1所示方法中步骤S103的具体流程图。图3为本发明运动练习拍的运动数据处理系统较佳实施例的结构框图。图4为图3所示系统中采样点信息获取模块的结构框图。
具体实施例方式本发明提供一种运动练习拍的运动数据处理方法及系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明提供一种运动练习拍的运动数据处理方法较佳实施例的流程图，如图所示，其包括:
5101、通过设置在运动练习拍的运动传感器，以预定的时间间隙采集所述运动练习拍的运动数据形成一段时间内的多个采样点；
5102、对各个采样点的运动数据进行数据预处理，消除运动传感器的自身零飘以及周围环境的电磁干扰；
5103、根据数据预处理后的运动数据计算运动练习拍在各个采样点相对于参考坐标系的姿态角，并根据所述姿态角以及运动数据得到运动练习拍在各个采样点的受力信息、转动信息以及空间位置信息；
5104、根据运动练习拍在各个采样点的受力信息、转动信息以及空间位置信息得到用户使用运动练习拍的力量、速度、角度信息以及运动轨迹，并将得到的力量、速度、角度信息以及运动轨迹输出显示。首先在步骤SlOl中，以预设的时间间隙即每隔预定时间采集运动练习拍的运动数据，其具体是通过读取安装在运动练习拍上的各种运动传感器来的运动数据，其中的运动传感器包括加速度计、陀螺仪、磁力计，加速度计可以采集运动练习拍的加速度，陀螺仪可以采集运动练习拍的角速度，而磁力计则可以采集地磁场在运动练习拍当前时刻所处姿态下的三轴向分量，本发明中的加速度计、陀螺仪、磁力计都是三轴传感器，这些传感器测量出的数据都是刚体坐标系下的X、Y、Z (相互垂直)三个轴的数据值，称之为三轴向分量。而所述的时间间隙可以根据硬件的运行速度以及采样精度综合考虑，一般来说，采样间隔时间越短越能真实反应物体运动特性，但考虑到运算速度和存储容量，本发明采用IOOHz的采样频率，即所述的时间间隙为10ms。在步骤S102中，通过各个传感器采集了运动练习拍的运动数据后，需要对这些运动数据进行数据预处理，以便消除传感器的自身零飘以及周围环境的电磁干扰，使最后得到的运动数据尽可能反映真实的运动信息。下面分别描述各个运动传感器采集的运动数据的数据预处理方法。对于加速度计的测量值即加速度，因为在地球上，物体的重力加速度是时刻存在的，物体在不同的姿态下，加速度计的测量值和预期值的偏移有较大的差异，所以在这种情况下，无法用测量值减去一个固定偏移值来对加速度计的测量值进行校准，否则在不同的姿态下的误差就会不一致，影响整个数据的稳定性。本发明采用最小均方误差法来对加速度计的测量值进行校准。预先加速度计采集运动练习拍在不同姿态下的加速度预期值的预期矩阵以及加速度测量值的测量矩阵得到校准矩阵，通过所述校准矩阵对各个采样点的加速度进行校准处理。具体计算公式为:Y=W*X，其中的Y即运动练习拍在不同姿态下的加速度预期值的预期矩阵，该预期矩阵是指加速度计在静止状态下所测得的测量值，在静止状态下，加速度计只受地球重力影响，所以加速度的三个轴向分量是可知的，即可预期的，例如加速度计正面朝上、水平静止放在桌面上，此时加速度预期值为:ACCx=0，ACCy=O, ACCz=I ;胃为加速度计实际测量的加速度测量值的测量矩阵加上一列I向量得到的实际矩阵，X为用于校准用的校准矩阵。本发明选取正上(运动传感器正面朝上)、正下(运动传感器正面朝下)、左上(运动传感器左侧朝上)、左下(运动传感器左侧朝下)、顶上(运动传感器右侧朝上)、顶下(运动传感器右侧朝下)这六种姿态来分别测量若干次，并求取每种姿态下的加速度测量值的平均
值，再加上一列I向量得到实际矩阵,那么可以通过
权利要求
1.一种运动练习拍的运动数据处理方法，其特征在于，包括步骤: A、通过设置在运动练习拍的运动传感器，以预定的时间间隙采集所述运动练习拍的运动数据，形成一段时间内的多个采样点； B、对各个采样点的运动数据进行数据预处理，消除运动传感器的自身零飘以及周围环境的电磁干扰； C、根据数据预处理后的运动数据计算运动练习拍在各个采样点相对于参考坐标系的姿态角，并根据所述姿态角以及运动数据得到运动练习拍在各个采样点的受力信息、转动信息以及空间位置信息； D、根据运动练习拍在各个采样点的受力信息、转动信息以及空间位置信息得到用户使用运动练习拍的力量、速度、角度信息以及运动轨迹，并将得到的力量、速度、角度信息以及运动轨迹输出显示。
2.根据权利要求1所述的运动练习拍的运动数据处理方法，其特征在于，所述步骤A中，所述运动传感器包括加速度计、陀螺仪及磁力计，运动数据包括通过加速度计采集的加速度、陀螺仪采集的角速度以及磁力计采集的地磁场在运动练习拍当前时刻所处姿态下的三轴向分量。
3.根据权利要求2所述的运动练习拍的运动数据处理方法，其特征在于，所述数据预处理包括:预先通过加速度计采集在不同姿态下的加速度预期值的预期值矩阵以及加速度测量值的测量值矩阵得到校准矩阵，通过所述校准矩阵对各个采样点的加速度进行校准处理；预先多次测量陀螺仪在静止状态下的角速度，并计算测量的多个角速度的平均值作为陀螺仪的零漂偏移量，将各个采样点的角速度减去所述零漂偏移量得到预处理后的角速度； 预先通过磁力计采集运动练习拍的磁场矩阵以及三轴平方和矩阵，通过最小均方误差处理得到磁力计的硬磁干扰向量，将各个采样点的三轴向分量减去所述硬磁干扰向量得到预处理后的三轴向分量。
4.根据权利要求2所述的运动练习拍的运动数据处理方法，其特征在于，所述姿态角包括:翻滚角ROLL，俯仰角PITCH和方位角YAW ； R0LL = -asin ( ACCx )，PITCH = a`tan2 ( ACCy, ACCz )，YAff=atan2 (MagJt Magy ),Mag； Magy是磁力计的测量值的x、Y轴向分量分别在参考水平面的投影值，Accx , AccyiAccz是加速度计测量值在刚体坐标系下的加速度三轴向分量。
5.根据权利要求4所述的运动练习拍的运动数据处理方法，其特征在于，所述步骤C具体包括: Cl、通过运动练习拍在各个采样点相对于参考坐标系的姿态角，计算出各个采样点在载体坐标系相对于参考坐标系的转换矩阵，并计算每一采样点相对于参考坐标系的速度矩阵；C2、通过每一采样点在载体坐标系下的加速度矩阵以及所述转换矩阵，计算出每一采样点在参考坐标系的加速度矩阵； C3、将每一采样点的在参考坐标系下的加速度矩阵减去重力加速度向量得到消除地球重力影响后的加速度矩阵； C4、根据所述速度矩阵和消除地球重力影响后的加速度矩阵计算出每一采样点的位移向量矩阵，由所述位移向量矩阵、消除重力影响后的加速度矩阵以及姿态角得到运动练习拍在各个采样点的受力信息、转动信息以及空间位置信息。
6.根据权利要求5所述的运动练习拍的运动数据处理方法，其特征在于，所述步骤C4中，运动练习拍在各个采样点的受力F为: F= *K, K是为运动练习拍的转换系数，为消除重力影响后的加速度矩阵。
7.—种运动练习拍的运动数据处理系统，其特征在于，包括: 运动数据采集模块，用于通过设置在运动练习拍的运动传感器，以预定的时间间隙采集所述运动练习拍的运动数据，形成一段时间内的多个采样点； 数据预处理模块，用于对各个采样点的运动数据进行数据预处理，消除运动传感器的自身零飘以及周围环境的电磁干扰； 采样点信息获取模块，用于根据数据预处理后的运动数据计算运动练习拍在各个采样点相对于参考坐 标系的姿态角，并根据所述姿态角以及运动数据得到运动练习拍在各个采样点的受力信息、转动信息以及空间位置信息； 运动识别模块，用于根据运动练习拍在各个采样点的受力信息、转动信息以及空间位置信息得到用户使用运动练习拍的力量、速度、角度信息以及运动轨迹，并将得到的力量、速度、角度信息以及运动轨迹输出显示。
8.根据权利要求7所述的运动练习拍的运动数据处理系统，其特征在于，所述运动传感器包括加速度计、陀螺仪及磁力计，运动数据包括通过加速度计采集的加速度、陀螺仪采集的角速度以及磁力计采集的地磁场在运动练习拍当前时刻所处姿态下的三轴向分量。
9.根据权利要求8所述的运动练习拍的运动数据处理系统，其特征在于，所述采样点信息获取模块包括: 第一计算单元，用于通过运动练习拍在各个采样点相对于参考坐标系的姿态角，计算出各个米样点在载体坐标系相对于参考坐标系的转换矩阵，并计算每一米样点相对于参考坐标系的速度矩阵； 第二计算单元，用于通过每一采样点在载体坐标系下的加速度矩阵以及所述转换矩阵，计算出每一采样点在参考坐标系的加速度矩阵； 第三计算单元，用于将每一采样点的在参考坐标系下的加速度矩阵减去重力加速度向量得到消除地球重力影响后的加速度矩阵； 信息获取单元，用于根据所述速度矩阵和消除地球重力影响后的加速度矩阵计算出每一采样点的位移向量矩阵，由所述位移向量矩阵、消除重力影响后的加速度矩阵以及姿态角得到运动练习拍在各个采样点的受力信息、转动信息以及空间位置信息。
全文摘要
本发明公开一种运动练习拍的运动数据处理方法及系统，其中，所述方法包括步骤通过设置在运动练习拍的运动传感器，以预定的时间间隙采集所述运动练习拍的运动数据，形成一段时间内的多个采样点；对各个采样点的运动数据进行数据预处理，消除运动传感器的自身零飘以及周围环境的电磁干扰；根据数据预处理后的运动数据计算运动练习拍在各个采样点相对于参考坐标系的姿态角，并根据所述姿态角以及运动数据得到运动练习拍在各个采样点的受力信息、转动信息以及空间位置信息。
文档编号G01C21/20GK103105166SQ20131002916
公开日2013年5月15日 申请日期2013年1月25日 优先权日2013年1月25日
发明者肖署辉 申请人:深圳市尔思电子有限公司