一种撞击时乒乓球相对球拍的角度计算系统及方法与流程

本发明属于智能乒乓球运动技术领域，特别是涉及一种撞击时乒乓球相对球拍的角度计算系统及方法。

背景技术：

目前乒乓球拍的物联网改造方案主要有两种，一种是安装压感设备检测乒乓球的击打数据，一种是安装陀螺仪等设备检测乒乓球拍的运动数据。两种方案均不能计算撞击时乒乓球相对球拍的角度。为此提出一种撞击时乒乓球相对球拍的角度计算系统及方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是乒乓球拍的物联网方案不能计算撞击时乒乓球相对球拍的角度的问题，提出一种撞击时乒乓球相对球拍的角度计算系统及方法。

本发明应用压力传感器以及乒乓球运动定位技术，压力传感器可以根据物体压力呈现一定的形变并获得压力传感数据，乒乓球运动定位技术是指采用已有物联网装置和定位方法计算乒乓球在运动过程中实时位置的技术。如图1所示，在球拍面部署压力传感器获取乒乓球拍击打时的压力传感数据，在球拍柄内部署的陀螺仪获取乒乓球拍的陀螺力矩数据(陀螺力矩是指陀螺仪中绕对称轴高速旋转的转子当旋转轴在空间中改变方位时所表现出的抗阻力矩)，在乒乓球系统中部署用于乒乓球运动定位的物联网组件(如信号强度定位技术等)获取乒乓球位置数据，服务器获取各数据及计算撞击时乒乓球相对球拍的角度。

事先建立乒乓球运动系统的三维空间坐标系，原点为乒乓球桌正中心，x轴和y轴组成水平面，z轴垂直于桌面向上。根据乒乓球拍面部署n个压力传感器把球拍面划分为n个区域并编号，n是正整数，压力传感器位于各区域的中心，压力传感器编号与球拍面区域编号一致。设置采样时间间隔t，采样时间间隔t小于乒乓球撞击球桌的平均时间间隔(根据历史数据统计获得)。设置判断乒乓球拍是否击打乒乓球的最小阈值l和最大阈值h。

在乒乓球运动系统中部署乒乓球运动定位装置，计算乒乓球在每个采样时刻的位置坐标值。

本发明的一种撞击时乒乓球相对球拍的角度计算系统，包括获取压力传感数据及判断球拍是否击球模块、计算乒乓球撞击球拍的位置模块、获取陀螺力矩数据及计算球拍在空间中的角度模块、计算撞击时乒乓球相对球拍的角度模块。本发明中所述的球拍击打乒乓球和乒乓球撞击球拍是对同一种动作的不同描述。

获取压力传感数据及判断球拍是否击球模块：部署在球拍面的n个压力传感设备按照采样时间间隔t获取压力传感数据，然后将压力传感数据发送至服务器；服务器获取同一采样时刻的压力传感数据，当有且只有一个压力传感数据u满足l≤u≤h时，则判定此采样时刻球拍击打乒乓球，进入计算乒乓球撞击球拍的位置模块；否则返回获取压力传感数据及判断球拍是否击球模块。

计算乒乓球撞击球拍的位置模块：采用乒乓球运动定位技术，计算乒乓球此采样时刻的位置坐标值，记为(xu,yu,zu)。

获取陀螺力矩数据及计算球拍在空间中的角度模块：部署在球拍柄内的陀螺仪获取陀螺力矩数据，然后发送至服务器；服务器获取陀螺力矩数据，在三维空间坐标系中采用动作感知算法计算球拍面与z轴的夹角，记为α0。

计算撞击时乒乓球相对球拍的角度模块：调取服务器前一采样时刻的乒乓球位置坐标值，记为(xv,yv,zv)；计算乒乓球落入方向与z轴的夹角α1＝arcsin(h/f)，其中h＝|zv-zv|；计算撞击时乒乓球相对球拍的角度α＝α1-α0；返回获取压力传感数据及判断球拍是否击球模块。

一种撞击时乒乓球相对球拍的角度计算系统框图如图2所示。

本发明的一种撞击时乒乓球相对球拍的角度计算方法采用以下步骤：

步骤1、划分球拍区域及设置参数。

根据乒乓球拍面部署n个压力传感器把球拍面划分为n个区域并编号，n是正整数，压力传感器位于各区域的中心，压力传感器编号与球拍面区域编号一致；建立三维空间坐标系，原点为乒乓球桌正中心，x轴和y轴组成水平面，z轴垂直于桌面向上；设置采样时间间隔t；设置判断乒乓球拍是否击打乒乓球的最小阈值l和最大阈值h。

步骤2、获取压力传感数据及判断球拍是否击球。

部署在球拍面的n个压力传感设备按照采样时间间隔t获取压力传感数据，然后将压力传感数据发送至服务器；服务器获取同一采样时刻的压力传感数据，当有且只有一个压力传感数据u满足l≤u≤h时，则判定此采样时刻球拍击打乒乓球，进入步骤3；否则返回步骤2。

步骤3、计算乒乓球撞击球拍的位置

采用乒乓球运动定位技术，计算乒乓球此采样时刻的位置坐标值，记为(xu,yu,zu)。

步骤4、获取陀螺力矩数据及计算球拍在空间中的角度。

部署在球拍柄内的陀螺仪获取陀螺力矩数据，然后发送至服务器；服务器获取陀螺力矩数据，在三维空间坐标系中采用动作感知算法计算球拍面与z轴的夹角，记为α0。

步骤5、计算撞击时乒乓球相对球拍的角度。

调取服务器前一采样时刻的乒乓球位置坐标值，记为(xv,yv,zv)；计算乒乓球落入方向与z轴的夹角α1＝arcsin(h/f)，其中h＝|zv-zv|；计算撞击时乒乓球相对球拍的角度α＝α1-α0；返回步骤2。

本发明的撞击时乒乓球相对球拍的角度计算方法流程图如图3所示。

本发明的方法及系统具有的优点是：采用压力传感器、陀螺仪以及乒乓球运动定位技术，可以准确计算出乒乓球拍击球时乒乓球相对球拍的角度。

附图说明

图1是本发明的乒乓球运动系统结构示意图；

图2是本发明的撞击时乒乓球相对球拍的角度计算系统框图；

图3是本发明的撞击时乒乓球相对球拍的角度计算方法流程图；

图4是本发明实施例的乒乓球系统的三维空间坐标系示意图

图5是本发明实施例的乒乓球拍面区域划分和编号示意图。

具体实施方式

下面对本发明优选实施例作详细说明。

本发明应用压力传感器以及乒乓球运动定位技术，压力传感器可以根据物体压力呈现一定的形变并获得压力传感数据，乒乓球运动定位技术是指采用已有物联网装置和定位方法计算乒乓球在运动过程中实时位置的技术。如图1所示，在球拍面部署压力传感器获取乒乓球拍击打时的压力传感数据，在球拍柄内部署的陀螺仪获取乒乓球拍的陀螺力矩数据(陀螺力矩是指陀螺仪中绕对称轴高速旋转的转子当旋转轴在空间中改变方位时所表现出的抗阻力矩)，在乒乓球系统中部署用于乒乓球运动定位的物联网组件(如信号强度定位技术等)获取乒乓球位置数据，服务器获取各数据及计算撞击时乒乓球相对球拍的角度。

事先建立乒乓球运动系统的三维空间坐标系，原点为乒乓球桌正中心，x轴和y轴组成水平面，z轴垂直于桌面向上。根据乒乓球拍面部署n个压力传感器把球拍面划分为n个区域并编号，n是正整数，压力传感器位于各区域的中心，压力传感器编号与球拍区域编号一致。设置采样时间间隔t，采样时间间隔t小于乒乓球撞击球桌的平均时间间隔(根据历史数据统计获得)。设置判断乒乓球拍是否击打乒乓球的最小阈值l和最大阈值h。本实施例中，建立三维空间坐标系的原点为乒乓球桌正中心，乒乓球桌正中心是指乒乓球网中心轴与乒乓球桌的交点，x轴平行于乒乓球桌窄边，y轴平行于乒乓球桌长边，z轴垂直于桌面向上，如图4所示。乒乓球拍面均匀部署12个压电薄膜传感器，即n＝12，根据压电薄膜传感器的位置把乒乓球拍面划分为网格型的12个区域，压电薄膜传感器位于各区域的中心，把12个区域按照一定顺序编号为1到12，如图5所示，压力传感器编号与球拍面区域编号一致。设置采样时间间隔t＝1毫秒；设置判断乒乓球拍是否击打乒乓球的最小电压阈值l＝3毫伏，最大阈值h＝10毫伏(mv)。

在乒乓球运动系统中部署乒乓球运动定位装置，计算乒乓球在每个采样时刻的位置坐标值。本实施例中，采用基于信号强度定位的乒乓球定位方法计算乒乓球的位置坐标值，在乒乓球桌分布三个信号接收装置，在乒乓球上携带信号发送装置，各信号接收装置接收乒乓球发送的无线信号，获取信号强度，然后发送至服务器，服务器根据信号强度以及信号接收装置的位置计算乒乓球每个采样时刻的位置坐标值。

本发明的一种撞击时乒乓球相对球拍的角度计算系统，包括获取压力传感数据及判断球拍是否击球模块、计算乒乓球撞击球拍的位置模块、获取陀螺力矩数据及计算球拍在空间中的角度模块、计算撞击时乒乓球相对球拍的角度模块。本发明中所述的球拍击打乒乓球和乒乓球撞击球拍是对同一种动作的不同描述。

获取压力传感数据及判断球拍是否击球模块：部署在球拍面的n个压力传感设备按照采样时间间隔t获取压力传感数据，然后将压力传感数据发送至服务器；服务器获取同一采样时刻的压力传感数据，当有且只有一个压力传感数据u满足l≤u≤h时，则判定此采样时刻球拍击打乒乓球，进入计算乒乓球撞击球拍的位置模块；否则返回获取压力传感数据及判断球拍是否击球模块。本实施例中，12个压电薄膜传感器按照采样间隔t获取电压数据，然后发送至服务器，服务器某采样时刻获取的12个电压数据按照编号的大小顺序组成行矩阵x＝(1,0,0,1.2,0.8,1,0,0,7,2,1,1.5)，单位为毫伏。其中有且只有一个电压数据7毫伏满足l≤7≤h，则判定此采样时刻球拍击打乒乓球，进入计算乒乓球撞击球拍的位置模块。

计算乒乓球撞击球拍的位置模块：采用乒乓球运动定位技术，计算乒乓球此采样时刻的位置坐标值，记为(xu,yu,zu)。本实施例中，采用已有的信号强度定位技术计算该采样时刻的乒乓球位置坐标值为(0.5,1.736,0.394)，即为乒乓球撞击球拍的位置坐标值。

获取陀螺力矩数据及计算球拍在空间中的角度模块：部署在球拍柄内的陀螺仪获取陀螺力矩数据，然后发送至服务器；服务器获取陀螺力矩数据，在三维空间坐标系中采用动作感知算法计算球拍面与z轴的夹角，记为α0。本实施例中，部署在球拍柄内的陀螺仪获取陀螺力矩数据，然后将数据发送至服务器，服务器获得陀螺力矩数据，采用已有的动作感知算法计算出球拍在空间中的位置是与z轴方向夹角为α0＝10度。

计算撞击时乒乓球相对球拍的角度模块：调取服务器前一采样时刻的乒乓球位置坐标值，记为(xv,yv,zv)；计算乒乓球落入方向与z轴的夹角α1＝arcsin(h/f)，其中h＝|zv-zv|；计算撞击时乒乓球相对球拍的角度α＝α1-α0；返回获取压力传感数据及判断球拍是否击球模块。本实施例中，调取服务器前一时刻计算出的乒乓球位置坐标值(xv,yv,zv)＝(0.54,1.7,0.45)，计算h＝|zv-zv|＝0.056，h/f＝0.72，乒乓球落入方向与z轴的夹角α1＝arcsin(h/f)＝46.05度，撞击时乒乓球相对球拍的角度α＝α1-α0＝36.05度。返回获取压力传感数据及判断球拍是否击球模块。

本发明的一种撞击时乒乓球相对球拍的角度计算方法采用以下步骤：

步骤1、划分球拍区域及设置参数。

根据乒乓球拍面部署n个压力传感器把球拍面划分为n个区域并编号，n是正整数，压力传感器位于各区域的中心，压力传感器编号与球拍面区域编号一致；建立三维空间坐标系，原点为乒乓球桌正中心，x轴和y轴组成水平面，z轴垂直于桌面向上；设置采样时间间隔t；设置判断乒乓球拍是否击打乒乓球的最小阈值l和最大阈值h。本实施例中，乒乓球拍面均匀部署12个压电薄膜传感器，即n＝12，根据压电薄膜传感器的位置把乒乓球拍面划分为网格型的12个区域，压电薄膜传感器位于各区域的中心，把12个区域按照一定顺序编号为1到12，如图5所示，压力传感器编号与球拍面区域编号一致。建立三维空间坐标系的原点为乒乓球桌正中心，乒乓球桌正中心是指乒乓球网中心轴与乒乓球桌的交点，x轴平行于乒乓球桌窄边，y轴平行于乒乓球桌长边，z轴垂直于桌面向上，如图4所示。设置采样时间间隔t＝1毫秒；设置判断乒乓球拍是否击打乒乓球的最小电压阈值l＝3毫伏，最大阈值h＝10毫伏。

步骤2、获取压力传感数据及判断球拍是否击球。

部署在球拍面的n个压力传感设备按照采样时间间隔t获取压力传感数据，然后将压力传感数据发送至服务器，n是正整数；服务器获取同一采样时刻的压力传感数据，当有且只有一个压力传感数据u满足l≤u≤h时，则判定此采样时刻球拍击打乒乓球，进入步骤3；否则返回步骤2。本实施例中，12个压电薄膜传感器按照采样间隔t获取电压数据，然后发送至服务器，服务器某采样时刻获取的12个电压数据按照编号的大小顺序组成行矩阵x＝(1,0,0,1.2,0.8,1,0,0,7,2,1,1.5)，单位为毫伏。其中有且只有一个电压数据7毫伏满足l≤7≤h，则判定此采样时刻球拍击打乒乓球，进入步骤3。

步骤3、计算乒乓球撞击球拍的位置

采用乒乓球运动定位技术，计算乒乓球此采样时刻的位置坐标值，记为(xu,yu,zu)。本实施例中，采用基于信号强度定位的乒乓球定位方法计算乒乓球的位置坐标值，在乒乓球桌分布三个信号接收装置，在乒乓球上携带信号发送装置，各信号接收装置接收乒乓球发送的无线信号，获取信号强度，然后发送至服务器，服务器根据信号强度以及信号接收装置的位置计算乒乓球此采样时刻的乒乓球位置坐标值为(0.5,1.736,0.394)，即为乒乓球撞击球拍的位置坐标值。

步骤4、获取陀螺力矩数据及计算球拍在空间中的角度。

部署在球拍柄内的陀螺仪获取陀螺力矩数据，然后发送至服务器；服务器获取陀螺力矩数据，在三维空间坐标系中采用动作感知算法计算球拍面与z轴的夹角，记为α0。本实施例中，部署在球拍柄内的陀螺仪获取陀螺力矩数据，然后将数据发送至服务器，服务器获得陀螺力矩数据，采用已有的动作感知算法计算出球拍在空间中的位置是与z轴方向夹角为α0＝10度。

步骤5、计算撞击时乒乓球相对球拍的角度。

调取服务器前一采样时刻的乒乓球位置坐标值，记为(xv,yv,zv)；计算乒乓球落入方向与z轴的夹角α1＝arcsin(h/f)，其中h＝|zv-zv|；计算撞击时乒乓球相对球拍的角度α＝α1-α0；返回步骤2。本实施例中，调取服务器前一时刻计算出的乒乓球位置坐标值(xv,yv,zv)＝(0.54,1.7,0.45)，计算h＝|zv-zv|＝0.056，h/f＝0.72，乒乓球落入方向与z轴的夹角α1＝arcsin(h/f)＝46.05度，撞击时乒乓球相对球拍的角度α＝α1-α0＝36.05度。返回步骤2。

当然，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上实施例仅是用来说明本发明的，而并非作为对本发明的限定，只要在本发明的范围内，对以上实施例的变化、变型都将落入本发明的保护范围。