基于三角定位算法的球体运动轨迹实时监测系统及方法

1.本发明属于监测定位技术领域，具体涉及一种基于三角定位算法的球体运动轨迹实时监测系统及方法。


背景技术：

2.在球类运动中，为了确保比赛的公平与公正，需要对球体的运动轨迹进行高精度的实时监测，精度的高低和同步时延的大小将影响系统的整体性能。现有技术大都利用高速动态捕捉摄像头和后置的庞大计算机数据处理系统来解决此问题，由于规模巨大，往往导致系统成本较高且技术实现复杂。从而导致此类系统无法广泛地应用于各大球场，只有一些相当重要的比赛场地才会安装配套设施。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为了解决在高速球体运动条件下不能很好地跟踪其运动轨迹的问题，提出了一种基于三角定位算法的球体运动轨迹实时监测系统及方法。
4.本发明的技术方案是：一种基于三角定位算法的球体运动轨迹实时监测系统包括信号发送装置、信号接收装置和数据分析处理模块；
5.信号发送装置安装于球体内部，并用于发射信号；
6.信号接收装置安装于球场内，用于接收信号，并将其发送至数据分析模块；
7.数据分析模块用于对接收的信号进行数据处理，确定球体的运动轨迹。
8.本发明的有益效果是：本发明的监测系统能够持续监测球体的运动轨迹，为球类运动中的判决以及平时的训练提供了极大的公平与便利性。其定位误差很小，同时由于本系统的计算量小，设备简单，可以极大地服务于广大球类运动爱好者。
9.基于以上系统，本发明还提出一种基于三角定位算法的球体运动轨迹实时监测方法，包括以下步骤：
10.s1：利用球体内置的信号发送装置发送信号至若干个信号接收装置，并利用若干个信号接收装置将各个信号发送至数据分析模块；
11.s2：利用数据分析模块对各个信号进行处理，得到球体的实时位置；
12.s3：将球体的实时位置存储至数据分析模块，得到球体的运动轨迹。
13.进一步地，步骤s2包括以下子步骤：
14.s21：根据数据分析处理模块接收到的各个信号强度，计算球体与各个信号接收装置之间的距离；
15.s22：根据发送信号和接收信号之间的相位角度差以及发送信号的波长，计算球体与各个信号接收装置之间的距离最大值和距离最小值；
16.s23：根据球体与各个信号接收装置之间的距离最大值和距离最小值，利用三角定位算法确定c
n2
个点位，其中，n表示信号接收装置个数；
17.s24：根据c
n2
个点位，确定球体的实时位置。
18.进一步地，步骤s21中，球体与信号接收装置之间的距离d的计算公式为：
19.d＝10
(|rssi-a|)/(10*r)
20.其中，rssi表示信号强度，a表示信号发送装置和信号接收装置相隔1米时的信号强度，r表示环境衰减因子；
21.步骤s22中，球体与信号接收装置之间的距离最大值d
max
的计算公式为：
22.d
max
＝d*(1+w)
23.其中，w表示误差范围；
24.步骤s22中，球体与信号接收装置之间的距离最小值d
min
的计算公式为：
25.d
min
＝d/(1+w)。
26.进一步地，步骤s23包括以下子步骤：
27.s231：以任意两个信号接收装置分别为圆心，其与球体之间的距离为半径，确定两个圆形，若两个圆形相交，则进入步骤s232，否则进入步骤s233；
28.s232：调整球体与信号接收装置之间的距离的误差范围，直至两个圆形相交，并进入步骤s233；
29.s233：分别计算相交圆形的两个交点与其余信号接收装置之间的距离差，并判断其距离差是否位于距离最大值和距离最小值之间，若是则进入步骤s234，否则剔除该交点；
30.s234：重复步骤s231-s233，得到c
n2
个点位，其中，n表示信号接收装置个数。
31.进一步地，步骤s24中，球体的实时位置(x,y)的计算公式为：
[0032][0033][0034]
其中，x表示球体实时位置的横坐标，y表示球体实时位置的纵坐标，n表示信号接收装置个数，xi表示点位的横坐标值，yi表示点位的纵坐标值，ki表示各个点位的权重，x
动
和y
动
分别表示根据先前的运动轨迹推测出的此时刻球体位置的横、纵坐标，k
动
表示根据运动轨迹推导出的点位的权重。
[0035]
本发明的有益效果是：
[0036]
(1)本发明通过多天线共同测算以及三角定位算法，克服了现有技术中运算量过大进而导致实时同步困难的不足，使得本发明具有了实时位置同步精确、运算量低和技术实现简单的优点。
[0037]
(2)本发明通过动态调整误差范围的大小以及各个可能位置的权重，克服了现有技术中位置检测精度不够的缺点，使得本发明具有了在计算量很小的同时还保有高精准度的优点。
附图说明
[0038]
图1为球体运动轨迹实时监测方法的流程图；
[0039]
图2为以标准羽毛球单打场地为例，本发明的各动态位置权重结果示意图；
[0040]
图3为以标准羽毛球单打场地为例，本发明的最终球体位置结果示意图。
具体实施方式
[0041]
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
[0042]
如图1所示，本发明提供了一种基于三角定位算法的球体运动轨迹实时监测系统，包括信号发送装置、信号接收装置和数据分析处理模块；
[0043]
信号发送装置安装于球体内部；并且信号装置牢固可靠，能够持续发送特定信号；
[0044]
信号接收装置安装于球场内，用于接收信号，并将其发送至数据分析模块；并且每个信号接收装置均独立工作；
[0045]
数据分析模块用于对接收的信号进行数据处理，确定球体的运动轨迹；数据分析模块中预置有特定的三角定位算法程序，当数据分析模块接收到来自球体的信息后则自动运行程序对数据进行处理和分析，并将结果进行存储和回传转发，将可靠的球体运动轨迹实时地计算并显示出来。
[0046]
基于以上系统，本发明还提出一种基于三角定位算法的球体运动轨迹实时监测方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0047]
s1：利用球体内置的信号发送装置发送信号至若干个信号接收装置，并利用若干个信号接收装置将各个信号发送至数据分析模块；
[0048]
s2：利用数据分析模块对各个信号进行处理，得到球体的实时位置；
[0049]
s3：将球体的实时位置存储至数据分析模块，得到球体的运动轨迹。
[0050]
在本发明实施例中，步骤s2包括以下子步骤：
[0051]
s21：根据数据分析处理模块接收到的各个信号强度，计算球体与各个信号接收装置之间的距离；
[0052]
s22：根据发送信号和接收信号之间的相位角度差以及发送信号的波长，计算球体与各个信号接收装置之间的距离最大值和距离最小值；
[0053]
s23：根据球体与各个信号接收装置之间的距离最大值和距离最小值，利用三角定位算法确定c
n2
个点位，其中，n表示信号接收装置个数；
[0054]
s24：根据c
n2
个点位，确定球体的实时位置。
[0055]
在本发明实施例中，步骤s21中，数据分析模块先根据信号的rssi值估算球体与接收装置之间的实时距离，但由于可能会存在信号的干扰和测量上的误差，因此系统会结合环境条件动态调整误差范围，在一定范围内搜索所有可能的球体位置。使距离d等于与之前算得的距离最近的球体与信号接收装置之间的距离d的计算公式为：
[0056]
d＝10
(|rssi-a|)/(10*r)
[0057]
其中，rssi表示信号强度，a表示信号发送装置和信号接收装置相隔1米时的信号强度，r表示环境衰减因子，此因子视环境条件做动态调整；
[0058]
步骤s22中，球体与信号接收装置之间的距离最大值d
max
的计算公式为：
[0059]dmax
＝d*(1+w)
[0060]
其中，w表示误差范围，此因子视环境做动态调整，；
[0061]
步骤s22中，球体与信号接收装置之间的距离最小值d
min
的计算公式为：
[0062]dmin
＝d/(1+w)。
[0063]
在本发明实施例中，步骤s23包括以下子步骤：
[0064]
s231：以任意两个信号接收装置分别为圆心，其与球体之间的距离为半径，确定两个圆形，若两个圆形相交，则进入步骤s232，否则进入步骤s233；
[0065]
s232：调整球体与信号接收装置之间的距离的误差范围，直至两个圆形相交，并进入步骤s233；
[0066]
s233：分别计算相交圆形的两个交点与其余信号接收装置之间的距离差，并判断其距离差是否位于距离最大值和距离最小值之间，若是则进入步骤s234，否则剔除该交点；
[0067]
s234：重复步骤s231-s233，得到个点位，其中，n表示信号接收装置个数。
[0068]
在本发明实施例中，在具体的搜索过程上，采取了经过改进后的三角定位算法。即先以其中两点为圆心，以球到接收装置的距离为半径画圆，此时即可确定两个可能的点位，分别计算这两点到第三点的距离。再依据第三点到球的距离舍弃掉其中一个距离出入过大的点位，即可确定球的位置。然后换另外两个点进行计算用其他点进行判断，又可以确定一个点位。如此反复执行，即可确定出一组共个点位。
[0069]
但通常情况下，这些点位并不会完全重合。显然，一组点位的聚拢程度越高，此点位为球体位置的可能性就越高。此时对传统的三角定位算法进行改进。通过计算这n个点所构成的多边形的面积的大小即可确定此情况下的点位的权重，权重的大小与多边形的面积成反比。也即多边形的面积越大，这组点越分散，此点位为球体位置的可能性就越低，相应地权重也就越低。
[0070]
此外考虑到运动物体的连续性，引入了基于惯性定位算法推算得到的此时刻的球体位置，并赋予此点位较高的权重，以进一步优化球体实时位置。在具体的计算上，则是依据回传的球体运动轨迹，计算其加速度，运动方向及速度等一系列数据，并根据这些数据结合上一时刻的球体位置推算当前时刻球体的位置。随后对在不同距离组合下计算得到的不同点位以及根据运动轨迹推测得到的球体位置进行加权平均即可求得球体的实时位置。
[0071]
在本发明实施例中，步骤s24中，球体的实时位置(x,y)的计算公式为：
[0072][0073][0074]
其中，x表示球体实时位置的横坐标，y表示球体实时位置的纵坐标，n表示信号接收装置个数，xi表示点位的横坐标值，yi表示点位的纵坐标值，ki表示各个点位的权重，x
动
和y动
分别表示根据先前的运动轨迹推测出的此时刻球体位置的横、纵坐标，k
动
表示根据运动轨迹推导出的点位的权重。
[0075]
如图2和图3所示，为探测器数量为3的情况，三角形的三个顶点为三个探测器的位置。其中图上的点位为所有球体可能存在的位置，各个点位的颜色的深浅代表了各自的权重。颜色越深权重越高，反之颜色越浅权重越低。对图2中这些可能的点位进行加权求均，即可求得球体的位置，如图3所示。
[0076]
本发明的工作原理及过程为：(1)球体内部发送装置持续发送特定信号；(2)球场旁预置的接收装置持续接收球体信号并传输给数据分析模块；(3)数据分析模块通过接收信号的rssi值估算实时距离并依据环境条件动态调整误差范围；(4)数据分析模块利用计算得到的球与每个接收装置之间的距离在误差范围内利用三角定位算法计算所有可能的点位并依据可能性的大小动态分配权重；(5)利用球的运动连续性结合先前的球体运动轨迹进行加权求均以进一步拟合出精确的实时位置。
[0077]
本发明的有益效果为：
[0078]
(1)本发明的监测系统能够持续监测球体的运动轨迹，为球类运动中的判决以及平时的训练提供了极大的公平与便利性。其定位误差很小，同时由于本系统的计算量小，设备简单，可以极大地服务于广大球类运动爱好者。
[0079]
(2)本发明通过多天线共同测算以及三角定位算法，克服了现有技术中运算量过大进而导致实时同步困难的不足，使得本发明具有了实时位置同步精确、运算量低和技术实现简单的优点。
[0080]
(3)本发明通过动态调整误差范围的大小以及各个可能位置的权重，克服了现有技术中位置检测精度不够的缺点，使得本发明具有了在计算量很小的同时还保有高精准度的优点。
[0081]
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。