高爾夫多傳感器綜合訓(xùn)練系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種高爾夫多傳感器綜合訓(xùn)練系統(tǒng)，包括傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)和視覺呈現(xiàn)系統(tǒng)，所述傳感器系統(tǒng)包括慣性傳感器、運動捕捉傳感器和壓力傳感器，所述數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)包括處理器，所述處理器與所述傳感器系統(tǒng)相通訊，所述處理器與所述視覺呈現(xiàn)系統(tǒng)相通訊。本實用新型利用多種傳感器技術(shù)同時測量身體動作、腳部壓力、桿頭軌跡和球軌跡，提供身體動作、桿頭軌跡和球軌跡的同步分析，建立身體動作、雙腳壓力、桿頭軌跡、球軌跡的聯(lián)系，并予以視覺呈現(xiàn)。
【專利說明】
高爾夫多傳感器綜合訓(xùn)練系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型屬于體育訓(xùn)練和娛樂設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高爾夫多傳感器綜合訓(xùn)練系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在高爾夫運動中，一個高質(zhì)量的擊球基于球員的身體動作施力情況。然而，作為一個球員，甚至是一個專業(yè)的教練，捕捉每一個細(xì)節(jié)的動作是不可能的，施力情況更是無法掌握。許多微妙的錯誤可能只是錯過，這將阻礙高爾夫技巧的提高。在肌肉記憶形成后，改變動作更加困難。人體擊球動作直接反映在對于球桿的掌握上，而球桿對于球的作用效果則主要體現(xiàn)在桿頭飛行過程，因為桿頭才是最終和球撞擊的區(qū)域。然而，一次揮桿過程中，桿頭飛速的速度很快，桿頭軌跡無法被人眼有效捕捉。球的飛行軌跡則是一次高質(zhì)量擊球的最終結(jié)果，然而，球的速度快、飛行速度遠(yuǎn)，無法肉眼觀察其軌跡細(xì)節(jié)。
[0003]為了解決上述問題，已有的高爾夫系統(tǒng)解決方案如下:
[0004]基于攝像機系統(tǒng)，人體的姿態(tài)可通過圖像進行分析。然而精確的速度和加速度特征無法通過該解決方案獲得，另外，圖像處理非常費時，會產(chǎn)生較大的系統(tǒng)延時，無法給予即時反饋，同時，該系統(tǒng)也無法給予壓力和受力的信息。
[0005]基于慣性傳感器技術(shù)在表帶和衣服上連接有傳感器測量其位置、速度等信息，通過節(jié)點位置推測人體姿態(tài)。然而只采集局部點的數(shù)據(jù)，并不能給出完整的人體姿態(tài)，也無法用于建立一個包括球員身高等信息在內(nèi)的精確人體模型，因而不可能實現(xiàn)對于球員表現(xiàn)的精確評估。
[0006]基于壓力膜片傳感器技術(shù)，提供了一個軟墊用于測量雙腳對于軟墊的力的范圍和大小趨勢，因為力在軟墊中被分散開，測點得到的測量數(shù)據(jù)僅反映了真實壓力的一部分，完整的壓力數(shù)值并不能通過壓力膜片技術(shù)測得，而精確的壓力數(shù)據(jù)對于建立人體肌肉和關(guān)節(jié)的分析和受傷預(yù)防非常重要。
[0007]基于聲納技術(shù)，可以實現(xiàn)對于球的遠(yuǎn)距追蹤。該技術(shù)提供了球的空間信息，但無法提供球員的人體信息。
[0008]基于通過攝像機系統(tǒng)或紅外設(shè)備采集得的球和球桿的數(shù)據(jù)，一種高爾夫模擬器系統(tǒng)可用于計算球軌跡并在幕布上提供球場模擬和球飛行動畫。但該類系統(tǒng)主要用于娛樂用途，缺乏了對于人體的分析，并不適合于高爾夫訓(xùn)練及教學(xué)。
[0009]以上方案從不同角度分析高爾夫運動，對高爾夫訓(xùn)練起到了很大的幫助，但如之前所言，高質(zhì)量的高爾夫揮桿基于正確身體動作，反映于良好的桿頭軌跡，直接表現(xiàn)于漂亮的球軌跡。但以上方案均基于一至兩種測量技術(shù)，并不能同時完善地檢測身體動作、桿頭軌跡和球軌跡。即使是在訓(xùn)練中同時采用了以上多種方案，也缺乏將身體動作、腳部壓力、桿頭軌跡、球軌跡聯(lián)系起來的手段。到時用戶可能同時打開三個分別反映人體姿態(tài)、腳部受力、球飛行距離的3D圖像軟件而無從下手。有經(jīng)驗的用戶或許能根據(jù)這三個軟件的聯(lián)合使用更正自己的動作，但無法避免一些相互關(guān)聯(lián)的細(xì)節(jié)被丟失?！緦嵱眯滦蛢?nèi)容】
[0010]本實用新型的目的就在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種高爾夫多傳感器綜合訓(xùn)練系統(tǒng)，為實現(xiàn)上述目的，本實用新型的技術(shù)方案如下:
[0011]本實用新型提供的一種高爾夫多傳感器綜合訓(xùn)練系統(tǒng)，包括傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)和視覺呈現(xiàn)系統(tǒng)，所述傳感器系統(tǒng)包括慣性傳感器、運動捕捉傳感器和壓力傳感器，所述數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)包括處理器，所述處理器與所述傳感器系統(tǒng)相通訊，所述處理器從所述傳感器系統(tǒng)接受數(shù)據(jù)，同步數(shù)據(jù)并處理數(shù)據(jù)，生成人體3D模型，腳部壓力曲線，高爾夫球桿軌跡和高爾夫球飛行軌跡，所述處理器與所述視覺呈現(xiàn)系統(tǒng)相通訊，所述視覺呈現(xiàn)系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)的顯示和分析過程的視覺呈現(xiàn)。所述視覺呈現(xiàn)系統(tǒng)包括:(I)集成顯示一次揮桿過程中的人體3D模型、雙腳壓力、球桿軌跡和球軌跡；(2)實現(xiàn)通過球飛行軌跡追溯球桿軌跡，由球桿軌跡追溯人體模型和雙腳壓力的分析；(3)提供同一時間坐標(biāo)下人體3D模型、雙腳壓力、球桿軌跡的數(shù)據(jù)。
[0012]進一步的，所述運動捕捉傳感器包括紅外傳感器和/或攝像機系統(tǒng)，所述紅外傳感器和/或所述攝像機系統(tǒng)用于捕捉球和球桿的運動情況。
[0013]進一步的，所述傳感器系統(tǒng)還包括3D深度攝像機，所述3D深度攝像機用于捕捉揮桿過程中的人體運動和姿態(tài)。
[0014]進一步的，所述慣性傳感器用于測量人體的運動和球桿桿頭的軌跡;所述運動捕捉傳感器用于測量球桿的飛行軌跡、球的飛行速度、球的初始角、球桿的擊球角度、球桿的擊球速度、球桿桿面朝向；所述壓力傳感器用于測量腳和地面的接觸區(qū)域、雙腳對地面的壓力和雙腳的旋轉(zhuǎn)情況。
[0015]進一步的，所述攝像機系統(tǒng)包括兩個左側(cè)的攝像機和兩個右側(cè)的攝像機，兩個左側(cè)的攝像機和兩個右側(cè)的攝像機集成在可拆卸模塊上。
[0016]進一步的，所述慣性傳感器包括用于測量桿頭九軸信息的運動傳感器，所述運動傳感器設(shè)置在人體的肩部、髖部、腕部以及球桿桿頭，所述運動傳感器包括加速度計、陀螺儀和磁力計，所述運動傳感器通過無線傳輸協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)至所述處理器。
[0017]進一步的，所述運動傳感器設(shè)置于球桿桿頭的位置包括如下:(I)所述運動傳感器設(shè)置在靠近桿頭的球桿上；(2)所述運動傳感器粘貼在桿頭擊球面的背面；(3)所述運動傳感器設(shè)置在桿頭內(nèi)部，所述運動傳感器與附在桿頭處的天線相連接，或者所述運動傳感器與桿頭的金屬外殼相連接作為天線。
[0018]進一步的，所述紅外傳感器包括第一組紅外傳感器和第二組紅外傳感器，所述第一組紅外傳感器包括第一組紅外發(fā)射裝置，所述第一組紅外發(fā)射裝置發(fā)射的紅外光被第一組紅外接收區(qū)接收，所述第一組紅外傳感器包括第二組紅外發(fā)射裝置，所述第二組紅外發(fā)射裝置發(fā)射的紅外光被第二組紅外接收區(qū)接收，所述第一組紅外發(fā)射裝置發(fā)射至所述第一組紅外接收區(qū)的紅外光被阻塞時，所述第一組紅外傳感器將位置信息發(fā)送至所述處理器，所述第二組紅外發(fā)射裝置發(fā)射至所述第二組紅外接收區(qū)的紅外光被阻塞時，所述第二組紅外傳感器將位置信息發(fā)送至所述處理器，所述第一組紅外傳感器和第二組紅外傳感器從不同角度檢測球和球桿的空間位置。
[0019]其中所述第一組紅外接收區(qū)的檢測區(qū)域分為球軌跡檢測區(qū)、球桿軌跡檢測區(qū)、球桿就位檢測區(qū)和球就位檢測區(qū);所述第二組紅外接收區(qū)的檢測區(qū)域分為球軌跡檢測區(qū)和球桿軌跡檢測區(qū)。
[0020]進一步的，所述壓力傳感器包括膜片式壓力傳感器和稱重式壓力傳感器，所述膜片式壓力傳感器和稱重式壓力傳感器通過機械連接結(jié)構(gòu)連接，所述膜片式壓力傳感器用于測量壓力的分布情況和大小，所述稱重式壓力傳感器用于壓力的精準(zhǔn)測量。
[0021]進一步的，所述稱重式壓力傳感器采用壓力應(yīng)變片，所述膜片式壓力傳感器采用集成若干膜片傳感器的膜片，所述壓力傳感器由數(shù)個壓力傳感器模塊組成，所述壓力傳感器模塊包括四個所述壓力應(yīng)變片和一個所述集成若干膜片傳感器的膜片，所述壓力傳感器模塊之間相互連接以獲得連續(xù)測量區(qū)域，所述處理器通過取址的方式對所述壓力傳感器模塊進行數(shù)據(jù)讀取。
[0022]稱重式壓力傳感器，用于測量壓力的絕對大小，在其中稱重式壓力傳感器作為整個壓力傳感器的支撐結(jié)構(gòu)。
[0023]膜片式壓力傳感器，用于測量腳部輪廓和壓力相對分布，在其中膜片式壓力傳感器分布于壓力傳感器的上表面以提供直接的壓力測點。一層軟質(zhì)材料可能覆蓋于膜片式壓力傳感器的上方，在不改變壓力分布的前提下對膜片式壓力傳感器提供保護和封裝。
[0024]稱重式壓力傳感器和膜片式壓力傳感器之間的機械連接結(jié)構(gòu)，在其中機械連接結(jié)構(gòu)為膜片式壓力傳感器提供一個合適的放置面和為稱重式壓力傳感器提供一個合適的連接結(jié)構(gòu)使壓力完全傳遞至稱重式壓力傳感器。
[0025]封裝的外殼，外殼將四個壓力應(yīng)變片限定在四個角上，在其中外殼對稱重式壓力傳感器和膜片式壓力傳感器提供保護與水平方向上的限位，同時提供了不同壓力傳感器模塊之間的機械連接結(jié)構(gòu)。
[0026]其中壓力傳感器具有模塊化，可擴展的特點。壓力傳感器模塊之間可以互相連接提供一個連續(xù)大范圍的測量區(qū)域，處理器通過取址的方式對壓力傳感器模塊的數(shù)據(jù)進行讀取。
[0027]膜片壓力傳感器采用集成化膜片以提供一定面積的壓力測量:
[0028](I)膜片上分布有多個膜片傳感器測點，每個測點都相當(dāng)于一個實際上提供測量功能的膜片傳感器；
[0029](2)膜片上集成了電路，最終提供了一個排線作為接口 ；
[0030](3)膜片部分位置被挖空為傳感器間連接結(jié)構(gòu)留出空間。
[0031 ]稱重式壓力傳感器采用壓力應(yīng)變片，四個壓力應(yīng)變片分布于壓力傳感器模塊的四個角上為膜片傳感器和機械連接結(jié)構(gòu)提供支撐。
[0032]機械連接結(jié)構(gòu)包括硬質(zhì)板和軟質(zhì)墊。硬質(zhì)板提供一個平面放置集成膜片，并由四個壓力應(yīng)變片支撐;軟質(zhì)墊覆蓋于膜片之上，使膜片位于硬質(zhì)板和軟質(zhì)墊之間，使膜片得到固定和保護，另外，腳的壓力通過軟質(zhì)墊傳遞至膜片;硬質(zhì)墊和軟質(zhì)墊通過常見機械結(jié)構(gòu)連接，例如螺栓，該連接結(jié)構(gòu)對膜片起到了水平方向上的限位作用。
[0033]進一步的，所述視覺呈現(xiàn)系統(tǒng)包括顯示屏和投影屏幕，所述顯示屏和投影屏幕的顯示內(nèi)容可以交換，所述顯示屏和投影屏幕可以顯示同一圖像及數(shù)據(jù)或在同一時刻顯示不同的圖像及數(shù)據(jù)。
[0034]進一步的，所述顯示屏包括展示人體3D模型、球員的擊球過程、高爾夫球桿的軌跡、高爾夫球的飛行軌跡，所述投影屏幕包括顯示一個模擬的球場、表現(xiàn)球在模擬球場中的飛行軌跡。
[0035]進一步的，所述視覺呈現(xiàn)系統(tǒng)包括同時呈現(xiàn)人體3D模型、腳部壓力曲線、高爾夫球桿軌跡和高爾夫球飛行軌跡的圖像，同時呈現(xiàn)人體3D模型、腳部壓力曲線、高爾夫球桿軌跡和高爾夫球飛行軌跡的數(shù)據(jù)變化。
[0036]進一步的，所述視覺呈現(xiàn)系統(tǒng)還包括視覺呈現(xiàn)設(shè)備，所述視覺呈現(xiàn)設(shè)備包括在球員揮桿后提示球員的錯誤，所述處理器采集人體姿態(tài)的數(shù)據(jù)，所述處理器根據(jù)采集的數(shù)據(jù)計算人體3D模型，所述處理器將人體3D模型與正確的模型相比較，所述視覺呈現(xiàn)設(shè)備提示人體揮桿過程中錯誤的身體姿勢。
[0037]進一步的，所述視覺呈現(xiàn)設(shè)備包括在同一時間坐標(biāo)下，同時顯示人體3D模型和球桿軌跡的圖像及相關(guān)數(shù)據(jù)隨時間的變化，所述視覺呈現(xiàn)設(shè)備顯示時間軸，所述時間軸會提示關(guān)鍵的時間點，通過點擊所述時間軸上的關(guān)鍵時間點可查看關(guān)鍵時刻的人體3D模型圖像和數(shù)據(jù)，通過點擊所述時間軸上的關(guān)鍵時間點可查看關(guān)鍵時刻的球桿軌跡圖像和數(shù)據(jù)。
[0038]進一步的，所述視覺呈現(xiàn)設(shè)備包括在人體視覺范圍內(nèi)呈現(xiàn)幾何圖形，以描述人體或高爾夫球的運動，所述處理器采集人體姿態(tài)及球的數(shù)據(jù)，所述處理器根據(jù)采集的數(shù)據(jù)計算人體3D模型及高爾夫球飛行軌跡，所述處理器控制所述視覺呈現(xiàn)設(shè)備改變幾何圖形的位置和方向，以描述人體3D模型及高爾夫球飛行軌跡，所述幾何圖形的呈現(xiàn)包括隨人體變化實時呈現(xiàn)及在揮桿完成后進行呈現(xiàn)。
[0039]進一步的，所述視覺呈現(xiàn)設(shè)備包括激光發(fā)射裝置，所述激光發(fā)射裝置在地面上投影直線，用于在人體視覺范圍內(nèi)實時展現(xiàn)人體3D模型數(shù)據(jù)，所述處理器采集人體姿態(tài)的數(shù)據(jù)，包括肩部轉(zhuǎn)動角度和髖部轉(zhuǎn)動角度;所述處理器根據(jù)采集的數(shù)據(jù)計算投影的激光線角度，所述處理器控制所述激光發(fā)射裝置在地面上投影一條和所表現(xiàn)人體轉(zhuǎn)動角度平行的線。
[0040]進一步的，所述視覺呈現(xiàn)設(shè)備還包括兩條LED燈帶，兩條所述LED燈帶用于顯示左右腳壓力所占總壓力的比例，所述LED燈帶包括若干LED燈，所述LED燈隨著支撐力所占比例的增加而逐步點亮，當(dāng)重心完全放在其中一只腳上時則將該腳所在側(cè)的所述LED燈全部點
[0041]進一步的，所述高爾夫多傳感器綜合訓(xùn)練系統(tǒng)還包括可升降球梯，所述可升降球梯包括球梯、電機和感應(yīng)器，所述電機轉(zhuǎn)動帶動所述球梯倒下或升起，所述感應(yīng)器檢測所述球梯倒下或升起是否到位，當(dāng)所述球梯到位時所述電機停止轉(zhuǎn)動。
[0042]進一步的，所述高爾夫多傳感器綜合訓(xùn)練系統(tǒng)還包括出球機構(gòu)，所述出球機構(gòu)包括儲球結(jié)構(gòu)、軌道、步進電機和軌道感應(yīng)器，所述儲球結(jié)構(gòu)包括管道和托盤，所述軌道經(jīng)過設(shè)計一次只有一顆球放入，所述步進電機轉(zhuǎn)動帶動所述軌道升起或落下，兩個所述軌道感應(yīng)器檢測所述軌道升起或落下是否就位，當(dāng)所述軌道就位時所述步進電機停止轉(zhuǎn)動。
[0043]進一步的，所述高爾夫多傳感器綜合訓(xùn)練系統(tǒng)還包括高爾夫球網(wǎng)，用于防止球四處飛散。
[0044]根據(jù)本實用新型的高爾夫多傳感器綜合訓(xùn)練系統(tǒng)，本實用新型給出了一種高爾夫多傳感器綜合訓(xùn)練系統(tǒng)的分析方法，包括如下步驟:
[0045](I)通過慣性傳感器測量人體關(guān)鍵點和桿頭的九軸信息，根據(jù)慣性傳感器采集的數(shù)據(jù)，可直接得到人體和球桿的加速度和角速度信息，并通過積分計算人體的旋轉(zhuǎn)角度和桿頭軌跡；
[0046](2)通過紅外傳感器捕捉桿頭和球的空間信息，根據(jù)紅外傳感器采集的數(shù)據(jù)，可以得到桿頭和球的空間位置，并以此計算球的初始飛行軌跡、球的初始飛行速度、球的初始角、球桿的擊球角度、球桿的擊球速度、球桿桿面朝向；
[0047](3)通過壓力傳感器獲得人體雙腳壓力信息，其中雙腳壓力的精確數(shù)值大小、壓力分布情況及雙腳轉(zhuǎn)動方向可通過壓力傳感器采集的數(shù)據(jù)計算得到；
[0048](4)通過3D深度攝像機捕捉人體姿態(tài)，根據(jù)3D深度攝像機采集的骨骼信息和陰影信息可以得到揮桿過程中包括的頭部位置、頸部傾斜角、手臂位置、手臂傾斜角、脊柱位置、脊柱傾斜角、腿位置和腿傾斜角的人體姿態(tài)信息；
[0049](5)通過攝像機系統(tǒng)捕捉桿頭和球的圖像，通過分析攝像機系統(tǒng)所得圖像的幀間差可用于計算球的飛行軌跡、旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)方向；
[0050](6)根據(jù)紅外傳感器和攝像機系統(tǒng)捕捉到球初始軌跡計算球的完整飛行軌跡；
[0051 ] (7)通過處理器計算人體3D模型、雙腳壓力、球桿軌跡和球軌跡；
[0052](8)同步人體3D模型和球桿軌跡，在表格中列舉同一關(guān)鍵時間點的人體3D模型參數(shù)、雙腳壓力參數(shù)和球桿軌跡參數(shù)，并進一步根據(jù)表格生成數(shù)據(jù)曲線；
[0053](9)提供人體3D模型、雙腳壓力、桿頭軌跡和球軌跡的集成視覺呈現(xiàn)，在同一時間坐標(biāo)軸下同時呈現(xiàn)人體3D模型參數(shù)、雙腳壓力參數(shù)、桿頭軌跡參數(shù)、球軌跡參數(shù)的變化情況；
[0054](10)指導(dǎo)球員調(diào)整身體參數(shù)以獲得期望的球桿軌跡，并最終獲得特定的球飛行軌跡；
[0055](11)根據(jù)球軌跡參數(shù)，分析對應(yīng)的會對該參數(shù)造成影響的球桿軌跡參數(shù);根據(jù)球桿軌跡參數(shù)，分析對應(yīng)的會對球桿軌跡參數(shù)造成影響的人體3D模型參數(shù)和雙腳壓力參數(shù)。[°°56]其中所述人體3D模型參數(shù)、雙腳壓力參數(shù)、球桿軌跡參數(shù)和球軌跡參數(shù)分別包括:
[0057](I)人體3D模型參數(shù)包括脊柱傾斜角、手臂傾斜角、腿傾斜角、頭部傾斜角、肩部轉(zhuǎn)動角、髖部轉(zhuǎn)動角；
[0058](2)雙腳壓力參數(shù)包括雙腳支撐力分配、重心偏移、腳部與地面接觸；
[0059](3)球桿軌跡參數(shù)包括球桿的旋轉(zhuǎn)角度、桿頭的飛行速度、桿頭的朝向、桿頭的空間軌跡；
[0060](4)球軌跡參數(shù)包括球的初始速度、球的初始方向、球的初始旋轉(zhuǎn)、球的空間軌跡。
[0061]本實用新型的有益效果:本實用新型利用多種傳感器技術(shù)同時測量身體動作、雙腳壓力、球桿軌跡和球軌跡，提供身體動作、球桿軌跡和球軌跡的同步分析，建立身體動作、雙腳壓力、球桿軌跡和球軌跡的聯(lián)系，并通過視覺呈現(xiàn)系統(tǒng)予以視覺呈現(xiàn)，以實現(xiàn)球員在揮桿訓(xùn)練過程中各參數(shù)的精確分析以及對球員表現(xiàn)的精確評估，為得到高質(zhì)量的擊球。
【附圖說明】
[0062]為了更清楚地說明本實用新型實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0063]圖1為本實用新型較優(yōu)實施方案的示意圖。
[0064]圖2為本實用新型的模型圖示，包括人體模型、腳部壓力、球桿軌跡和球軌跡。
[0065]圖3為本實用新型的系統(tǒng)框圖。
[0066]圖4為本實用新型傳感器系統(tǒng)的設(shè)置方案。
[0067]圖5為本實用新型傳感器系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)示意圖。
[0068]圖6為本實用新型運動傳感器的框圖。
[0069]圖7為本實用新型運動傳感器的示意圖。
[0070]圖8為本實用新型運動傳感器的設(shè)置方案。
[0071 ]圖9為本實用新型運動傳感器測量桿頭數(shù)據(jù)時的設(shè)置方案。
[0072]圖10為本實用新型運動傳感器放置于桿頭內(nèi)部的設(shè)置方案。
[0073]圖11為本實用新型紅外傳感器的設(shè)置方案。
[0074]圖12為本實用新型投影裝置的示意圖。
[0075]圖13為本實用新型第一組紅外接收區(qū)的檢測區(qū)域圖示及攝像機系統(tǒng)區(qū)域圖示。
[0076]圖14為本實用新型第二組紅外接收區(qū)的檢測區(qū)域圖示。
[0077]圖15A為本實用新型球紅外檢測功能的圖示。
[0078]圖15B為本實用新型球桿紅外檢測功能的圖示。
[0079]圖15C為本實用新型球和球桿就位檢測功能的圖示。
[0080]圖lf5D為本實用新型揮桿出球功能的圖示。
[0081 ]圖16為本實用新型壓力傳感器的示意圖。
[0082]圖17為本實用新型壓力傳感器受力式力的傳遞過程。
[0083]圖18為本實用新型壓力傳感器模塊的圖示。
[0084]圖19為本實用新型壓力傳感器模塊的擴展方式圖示。
[0085]圖20為本實用新型攝像區(qū)域中攝像機的分布圖示。
[0086]圖21為本實用新型攝像機捕捉球和球桿軌跡功能的圖示。
[0087]圖22為本實用新型人體脊柱傾斜角、手臂傾斜角、腿傾斜角、頭部傾斜角參數(shù)的圖不O
[0088]圖23為本實用新型人體肩部轉(zhuǎn)動角、髖部轉(zhuǎn)動角參數(shù)的圖示。
[0089]圖24為本實用新型人體雙腳壓力大小、腳的朝向和旋向參數(shù)的圖示。
[0090]圖25為本實用新型球桿軌跡的圖示。
[0091]圖26為本實用新型桿頭擊球面參數(shù)的圖示。
[0092]圖27為本實用新型球軌跡、球飛行距離、球發(fā)射角參數(shù)的圖示。
[0093]圖28為本實用新型球旋轉(zhuǎn)速度參數(shù)圖示。
[0094]圖29為本實用新型對于桿頭軌跡關(guān)鍵點的圖示。
[0095]圖30為本實用新型由桿頭軌跡時間點標(biāo)定的壓力曲線。
[0096]圖31為本實用新型在時間坐標(biāo)軸上通過關(guān)鍵點分析參數(shù)的圖示，通過點擊時間坐標(biāo)軸上的關(guān)鍵時間點，可以得到關(guān)鍵時間點的參數(shù)大小。
[0097]圖32為本實用新型球軌跡追溯球桿軌跡、球桿軌跡追溯人體模型和雙腳壓力的分析方法圖示。
[0098]圖33為本實用新型顯示屏和投影屏幕的圖示。
[0099]圖34為本實用新型激光發(fā)射裝置的圖示。
[0100]圖35為本實用新型激光發(fā)射裝置實時顯示人體轉(zhuǎn)動角度的圖示。
[0101]圖36為本實用新型出球機構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖示。
[0102]圖37A為本實用新型出球軌道升起狀態(tài)的圖示。
[0103]圖37B為本實用新型出球軌道落下狀態(tài)的圖示。
[0104]圖38為本實用新型可升降球梯的結(jié)構(gòu)圖示。
【具體實施方式】
[0105]下面結(jié)合附圖對實用新型進一步說明，但不用來限制本實用新型的范圍。
[0106]實施例
[0107]—個完整的高爾夫擊球過程為:球員做出一個揮桿動作，該動作帶動球桿旋轉(zhuǎn)，球桿的桿頭經(jīng)過一段飛行軌跡后撞擊球，球因此往遠(yuǎn)處飛行。因此，一次高爾夫擊球過程可通過如下模型(圖2所示)描述:人體模型101、腳部壓力102、球桿軌跡103和球初始軌跡104描述。值得注意的是，有時候高爾夫運動可能為室內(nèi)的模擬運動，球的飛行過程未必完整，但可以通過前期的球軌跡計算一個模擬軌跡105。
[0108]本實用新型提供的一種高爾夫多傳感器綜合訓(xùn)練系統(tǒng)，包括傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、視覺呈現(xiàn)系統(tǒng)及必要的機械結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)包括處理器，其中傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)和視覺呈現(xiàn)系統(tǒng)搭載于必要的機械結(jié)構(gòu)之上。圖3給出了本實用新型高爾夫多傳感器綜合訓(xùn)練系統(tǒng)的推薦實施方案的結(jié)構(gòu)框圖。最下層為傳感器系統(tǒng)，其通過慣性傳感器、紅外傳感器、壓力傳感器、3D深度攝像機(Kinect)、攝像機系統(tǒng)多樣化地測量高爾夫揮桿過程中的人體運動、雙腳壓力、球桿軌跡及球軌跡。中間一層為數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，用于從傳感器系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)，同步并處理傳來的數(shù)據(jù)，生成人體3D模型、雙腳壓力、球桿軌跡和球的初始軌跡;根據(jù)球的初始飛行軌跡計算球的完整飛行軌跡。最上層為視覺呈現(xiàn)系統(tǒng)，通過顯示屏和投影屏幕同時顯示揮桿過程和球飛行過程。視覺呈現(xiàn)設(shè)備是視覺呈現(xiàn)系統(tǒng)的附加，包括表現(xiàn)人體轉(zhuǎn)動角度激光線和表現(xiàn)雙腳支撐力的LED燈帶。
[0109]一、傳感器系統(tǒng)
[0110]—個推薦實施方案使用了多達5種傳感器技術(shù):慣性傳感器技術(shù)、紅外技術(shù)、壓力傳感器、kinect體感技術(shù)、運動捕捉技術(shù)。這些技術(shù)被緊密結(jié)合以確保高爾夫運動檢測數(shù)據(jù)的高精度和多樣化。圖4提供了傳感器系統(tǒng)中各傳感器的位置，運動傳感器201被設(shè)置于人體和桿頭上用于采集人體和球桿信息，一個集成了紅外傳感器和攝像機系統(tǒng)的傳感區(qū)域202設(shè)置于擊球區(qū)正前方用于采集球和球桿信息，一個紅外傳感器傳感區(qū)域203設(shè)置于擊球區(qū)正下方用于采集球和球桿信息。壓力傳感器204設(shè)置于人體站立位置之下用于測量壓力大小和腳部輪廓，kinect被放置于擊球區(qū)之前用于采集人體動作。
[0111]圖5給出了五種傳感器系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)分類。五種傳感器采集的數(shù)據(jù)可具體分為人體數(shù)據(jù)、桿數(shù)據(jù)、球數(shù)據(jù)，其中人體數(shù)據(jù)包括人體3D數(shù)據(jù)和雙腳壓力數(shù)據(jù)。對于同一組數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，存在一些冗余的數(shù)據(jù)用于校正獲得更精確的數(shù)據(jù)。
[0112]1、慣性傳感器
[0113]慣性傳感器包括用于測量桿頭九軸信息的運動傳感器201，運動傳感器201由地磁計、加速度計和陀螺儀等模塊組成，并通過無線傳輸協(xié)議向數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)。圖6給出了運動傳感器的系統(tǒng)框圖，圖7給出了運動傳感器的一個實施方案。運動用于測量測點的角度、加速度與角速度。
[0114]圖8給出了現(xiàn)有運動傳感器的設(shè)置方案。運動傳感器被連接至肩301、髖關(guān)節(jié)302、腕關(guān)節(jié)303、高爾夫球桿桿頭304，測量了肩部、髖部、腕部、球桿桿頭的角度、加速度與角速度。
[0115]特別地，設(shè)置在高爾夫球桿桿頭上的運動傳感器用于測量高爾夫桿頭的加速度、角速度和朝向，以關(guān)注高爾夫球桿與球最終接觸點運動，該特性有助于分析球桿對球的作用機理。圖9和圖10給出了三種位于球桿桿頭的運動傳感器的設(shè)置方案:靠近桿頭側(cè)311、桿頭背面312及嵌入桿頭內(nèi)部313。第一種方案通過在高爾夫球桿上加裝固定裝置以固定桿頭上的運動傳感器，該固定裝置選用硅膠和橡膠材質(zhì)，以提供良好的緩沖特性，第二種方案將運動傳感器粘貼在球桿背面，第三種嵌入桿頭內(nèi)部的設(shè)置方案則需要通過特別研制的球桿實現(xiàn)，該實現(xiàn)方式需要解決天線的設(shè)置問題。天線設(shè)置可以將天線附在桿頭附近用于傳輸數(shù)據(jù)，另一種天線設(shè)置方案為將運動傳感器與金屬外殼的一部分相連作為天線。圖10給出了運動傳感器天線設(shè)置方案的一種，桿面的一部分金屬外殼320可被取下，運動傳感器通過天線和被取下的金屬外殼320相連，則該金屬外殼320實際上起到了天線的作用。
[0116]2、運動捕捉傳感器
[0117]運動捕捉傳感器用于測量球桿的飛行軌跡、球的飛行速度、球的初始角、球桿的擊球角度、球桿的擊球速度、球桿桿面朝向，其中運動捕捉傳感器包括紅外傳感器和/或攝像機系統(tǒng)，紅外傳感器和/或攝像機系統(tǒng)用于捕捉球和球桿的運動情況。
[0118]2.1、紅外傳感器
[0119]基于紅外光敏二極管和紅外光敏三極管的紅外傳感器技術(shù)被用于測量擊球后球的飛行速率和方向及擊球過程中球桿的速率、角速率和朝向。另外，紅外傳感器設(shè)備被用于外設(shè)功能實現(xiàn)，檢測擊球前球和球桿是否在擊球位置上及是否有球桿揮過指定位置。
[0120]圖11給出了紅外傳感器的配置方法，圖12給出了投影裝置的示意圖。本實用新型的紅外傳感器包括第一組紅外傳感器和第二組紅外傳感器，第二組紅外發(fā)射裝置403和激光發(fā)射裝置1001連接在投影裝置903上。第一組紅外發(fā)射裝置401將紅外光發(fā)射到第一組紅外傳感器的第一組紅外接收區(qū)402。第二組紅外發(fā)射裝置403的發(fā)射的紅外光被第二組紅外傳感器的第二組紅外接收區(qū)404接收，第一組紅外接收區(qū)402上部的紅外傳感區(qū)415亦接受由第二組紅外發(fā)射裝置403傳來的紅外光。其中，如圖12所示，第一組紅外接收區(qū)402上集成了攝像區(qū)域710，第二組紅外發(fā)射裝置403位于投影裝置903的下方。
[0121]圖13給出了第一組紅外接收區(qū)402的檢測區(qū)域分布，其分別為球軌跡檢測區(qū)411、球桿軌跡檢測區(qū)412、球桿就位檢測區(qū)414，球就位檢測413，出球檢測區(qū)415。圖14給出了第二組紅外接收區(qū)404的檢測區(qū)域分布，其分別為:球軌跡檢測區(qū)416、球桿軌跡檢測區(qū)417、418。
[0122]圖15A給出了用于球軌跡測量的檢測區(qū)組合，球軌跡檢測區(qū)411和球桿軌跡檢測區(qū)412相組合從兩個角度檢測球的空間位置。圖15B給出了球桿軌跡的測量區(qū)組合，球桿軌跡檢測區(qū)412和球桿軌跡檢測區(qū)417、418相組合用于檢測球桿的切入位置、擊球位置和切入角度。圖15C給出了檢測球和球桿是否就位的示意。當(dāng)通往球就位檢測區(qū)413和球桿就位檢測區(qū)414的紅外光被阻擋時，紅外傳感器將發(fā)送信號給處理器，表示球和球桿已經(jīng)就位，該信號被處理器用于判斷是否出球及揮桿準(zhǔn)備是否完成。圖15D給出了檢測球桿是否從指定位置揮過的硬件設(shè)置和檢測示意。當(dāng)球桿從出球檢測區(qū)415上方通過時，紅外傳感器將發(fā)送信號給處理器，表不有桿從415上揮過，作為出一顆球的信號。
[0123]2.2、攝像機系統(tǒng)
[0124]攝像機系統(tǒng)被用于捕捉球和球桿的運動軌跡和旋轉(zhuǎn)。圖20和圖21給出了攝像機系統(tǒng)的安裝方式及工作方式，攝像機系統(tǒng)包括兩個左側(cè)的攝像機和兩個右側(cè)的攝像機，4個攝像機被安裝于攝像區(qū)域710。其中左側(cè)兩個攝像機702之間距離為Dl，用于測量球桿的運動，右側(cè)兩個攝像機701之間差距為D2，用于捕捉球的移動。四個攝像機被集成在一個可拆卸模塊上，且該模塊可被取下，四個攝像機分布在可拆卸模塊的四個角上，從不同的角度捕捉球的運動。
[0125]處理器通過分析幀差進行球速度和旋轉(zhuǎn)速度計算。通過分析球位置的差別，可以計算得球的速度和飛行方向，通過分析球紋理的細(xì)微差別，可以計算球的旋轉(zhuǎn)。通過攝像機系統(tǒng)獲得的球速度、飛行方向、旋轉(zhuǎn)信息，可以進一步推測球的飛行軌跡，從而分析擊球質(zhì)量。
[0126]3、壓力傳感器
[0127]壓力傳感器204被用于測量腳部和地面的接觸輪廓和雙腳的受力情況。與已有的僅通過膜片式壓力傳感器進行腳部檢測的方案不同，本實用新型的壓力傳感器是一種復(fù)合了稱重式壓力傳感器和膜片式壓力傳感器的壓力傳感器，其被設(shè)計用于兼顧腳與地面接觸輪廓和受力的絕對大小。
[0128]壓力傳感器從上到下分別為膜片式壓力傳感器、機械連接結(jié)構(gòu)、稱重式壓力傳感器，膜片式壓力傳感器覆蓋于一個機械連接結(jié)構(gòu)提供的平面之上，機械連接結(jié)構(gòu)為膜片式壓力傳感器提供一個合適的放置面并為稱重式壓力傳感器提供一個合適的連接，使壓力完全傳遞至稱重式壓力傳感器。圖16給出了一種實施方案的結(jié)構(gòu)示意圖。稱重式壓力傳感器采取四個壓力應(yīng)變片501，用于精確測量壓力傳感器受到的壓力值大小。膜片式壓力傳感器采用一個集成了大量膜片傳感器502的膜片504，提供了大量測點，用于精確檢測腳部輪廓和力的分布趨勢，膜片504還集成了電路，提供排線口 510以供數(shù)據(jù)讀取。壓力應(yīng)變片501和膜片504之間存在機械連接結(jié)構(gòu)503。機械連接結(jié)構(gòu)503為膜片504提供了一個平面，另外，機械連接結(jié)構(gòu)503由四個壓力應(yīng)變片501支撐，這樣子，分散在膜片504上的壓力最終經(jīng)過機械連接結(jié)構(gòu)503完全傳遞至四個壓力應(yīng)變片501上。
[0129]圖17給出了壓力傳感器204上壓力的傳遞方式。當(dāng)腳踩在壓力傳感器204之上時，各個點的相對壓力被膜片504讀取，得到壓力分布區(qū)域和分布趨勢。力通過膜片504傳遞至機械連接結(jié)構(gòu)503上。而壓力經(jīng)過機械連接結(jié)構(gòu)503完全傳遞至壓力應(yīng)變片501上，可以通過壓力應(yīng)變片501求得的壓力數(shù)值的相加得到腳對于地面的絕對壓力。
[0130]壓力傳感器204可以通過模塊化設(shè)計實現(xiàn)可擴展的壓力傳感器模塊。每個壓力傳感器模塊包括稱重式壓力傳感器、膜片式壓力傳感器、稱重式壓力傳感器和膜片式壓力傳感器之間的機械連接結(jié)構(gòu)和一個外殼封裝。
[0131]外殼被用于提供壓力傳感器模塊的封裝，具有如下特點:
[0132](I)與稱重式壓力傳感器直接相連，支撐稱重式壓力傳感器，且僅對稱重式壓力傳感器提供豎直方向上的支撐力；
[0133](2)限定機械連接結(jié)構(gòu)的水平位移；
[0134](3)提供壓力傳感器模塊與壓力傳感器模塊之間的機械連接結(jié)構(gòu)。
[0135]壓力傳感器模塊進行以下設(shè)計進行拓展:
[0136](I)處理器使用取址的方式對壓力傳感器模塊進行數(shù)據(jù)讀??；
[0137](2)壓力傳感器模塊間通過機械結(jié)構(gòu)相連測量連續(xù)的區(qū)域；
[0138](3)多個壓力傳感器模塊可并聯(lián)使用提供足夠大的測量區(qū)域。
[0139]圖18和圖19給出了對于圖16所示壓力傳感器模塊實施方案的模塊化設(shè)計。
[0140]壓力應(yīng)變片501、膜片504和機械連接結(jié)構(gòu)503如之前所述。底殼505提供了壓力傳感器的封裝，首先，其提供了 4個凹槽用于放置壓力應(yīng)變片501，其次，其水平截面形狀與機械連接結(jié)構(gòu)503水平截面形狀一致，限定了機械連接結(jié)構(gòu)503的水平位移，最后，其與基座520相連，只要通過設(shè)計合適的基座520，即可實現(xiàn)壓力傳感器模塊間的連接和無限大的擴展。膜片504上方的外殼506和外殼507將整個壓力傳感器和底殼505包裹在內(nèi)，提供了封裝，而其橡膠材質(zhì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計確保腳部壓力的傳遞。圖19給出了壓力傳感器模塊的一種拓展方式，設(shè)計了一種可容納八個壓力傳感器模塊的基座520。這種設(shè)計方法保證了安裝簡便，利于移動，足以提供一個高爾夫運動員揮桿時的站立區(qū)域。
[0141]4、3D 深度攝像機(Kinect)
[0142]基于kinect體感技術(shù)追蹤人體骨骼，可用于獲得人體頭部、手臂、脊椎、腿部等各個部位的位置信息和運動狀態(tài)。圖4給出了 Kinect的安裝示意，其安裝于人體站立區(qū)的正前方，用于捕捉擊球過程中球員身體的骨骼位置。Kinect骨骼捕捉所定義的人體部位模型，包括:頭、頸、左肩、右肩、左肘、右肘、左腕、右腕、左手、右手、脊柱、臀部中央、左臀、右臀、左膝、右膝、左踝、右踝、左腳和右腳，該模型的其中一些參數(shù)被用于重點分析球員正確姿勢。定義的揮桿過程身體參數(shù)如下:頭部位置、頸部傾斜角、手臂位置、手臂傾斜角、脊柱位置、脊柱傾斜角、腿位置、腿傾斜角。這些參數(shù)組成了一個人體3D模型，用于描述球員在擊球過程的動作變化。
[0143]二、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)與分析過程
[0144]數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)包括處理器，處理器被用于處理傳感器系統(tǒng)設(shè)備傳來的數(shù)據(jù)以生成人體3D模型、雙腳壓力、桿頭軌跡和球飛行軌跡，并分析它們之間的聯(lián)系。
[0145]處理器實現(xiàn)的分析功能為:(I)數(shù)據(jù)處理，將傳感器系統(tǒng)采集得的直接物理量轉(zhuǎn)換為定義人體3D模型的參數(shù)、定義桿頭軌跡的參數(shù)、定義球飛行軌跡的參數(shù)。其通過算法及傳感器系統(tǒng)間數(shù)據(jù)地互相校準(zhǔn)提高參數(shù)的精確性和穩(wěn)定性。(2)數(shù)據(jù)分析，分析已定義的參數(shù)，例如身體姿態(tài)是否準(zhǔn)確，雙腳重力分布是否準(zhǔn)確，球桿桿頭軌跡是否正常，球飛行軌跡是否符合需要。(3)參數(shù)聯(lián)系分析，分析定義參數(shù)間的配合關(guān)系，如人體姿態(tài)和雙腳重心之間的關(guān)系，人體姿勢和桿頭軌跡之間的關(guān)系，人體姿勢和球飛行軌跡之間的關(guān)系。
[0146]處理器在數(shù)據(jù)處理過程中定義了如下參數(shù):
[0147](I)人體3D模型參數(shù):頭部傾斜角801、脊柱傾斜角802、手臂傾斜角803、腿傾斜角804、肩部轉(zhuǎn)動角805、髖部轉(zhuǎn)動角806、人體腕部角度、腕部位置；
[0148](2)雙腳壓力參數(shù):雙腳支撐力分配807、雙腳旋轉(zhuǎn)趨勢808、腳部與地面接觸輪廓及相對分布趨勢；
[0149](3)球桿軌跡參數(shù):球桿的旋轉(zhuǎn)角度、桿頭的空間位置809、桿頭的朝向810、桿頭的飛行速度；
[0150](4)球軌跡參數(shù):球的初始速度、球的初始方向812、球的初始旋轉(zhuǎn)814、球的空間軌跡球811。
[0151]圖22至圖27給出了一系列參數(shù)的圖示。經(jīng)過系統(tǒng)處理，可以得到一系列如上定義的人體3D模型、雙腳壓力、球桿軌跡、球軌跡參數(shù)，顯然在一次揮桿過程中，這些參數(shù)必須被限定在一定范圍內(nèi)才是一次良好的擊球。數(shù)據(jù)分析主要針對數(shù)據(jù)處理后得到的參數(shù)，分析其是否在限定范圍內(nèi)。例如可以得到頭部傾斜角、脊柱傾斜角、手臂傾斜角、腿傾斜角、肩部轉(zhuǎn)動角、髖部轉(zhuǎn)動角是否過大或者過小;重心是否過于靠近身體一側(cè);腳的朝向和旋向是是否正確;球桿軌跡最低點是否過低;球桿擊球速度、角度是否正確;球初始速度、角度、旋轉(zhuǎn)情況是否正確;球最終的落地距離。
[0152]參數(shù)之間的聯(lián)系分析方法包括:(I)人體3D模型和球桿軌跡之間數(shù)據(jù)的同步，表格顯示關(guān)鍵時間點時的各個參數(shù)，通過該表格可進一步生成曲線；(2)通過對人體3D模型、球桿軌跡范圍的限定來推測球軌跡；(3)通過對球軌跡反向追溯對應(yīng)的人體3D模型和球桿軌跡錯誤所在。
[0153]參數(shù)的同步過程將以球桿軌跡和雙腳支撐力的數(shù)據(jù)同步作為具體例子。如圖29所示，桿頭的軌跡為由上桿過程和下桿過程組成的空間位置變化曲線，通過對于該軌跡的分析發(fā)現(xiàn)上桿6點鐘方向、上桿9點鐘方向、上桿12點鐘方向、轉(zhuǎn)折點、下桿12點鐘方向、下桿9點鐘方向、下桿6點鐘方向、下桿3點鐘方向等軌跡位置有著垂直于地面、水平于地面、球軌跡轉(zhuǎn)折這樣明確的物理意義，可以作為其他參數(shù)分析的參考點。通過數(shù)據(jù)同步調(diào)整各傳感器之間時間坐標(biāo)，將這些關(guān)鍵點的時間坐標(biāo)作為關(guān)鍵時間點標(biāo)定壓力曲線的數(shù)據(jù)，可以得到雙腳支撐力和桿軌跡的坐標(biāo)關(guān)系，如圖30所示。另外，可以建立人體3D模型各個參數(shù)與球桿軌跡關(guān)鍵點的表格進行分析。另外，如圖31所示，一個標(biāo)有時間關(guān)鍵點的時間坐標(biāo)軸850被用于揮桿過程分析，球員揮桿與壓力變化的動畫被同時播放以直觀顯示球桿軌跡和壓力變化之間的聯(lián)系，兩側(cè)顯示參數(shù)數(shù)值的大小變化以獲得定量分析。點擊時間坐標(biāo)軸850上的關(guān)鍵時間點可以觀察到關(guān)鍵時間點的數(shù)據(jù)，包括開始時刻、上桿9點鐘、上桿12點鐘、轉(zhuǎn)折點、下桿12點鐘、下桿9點鐘、擊球點、下桿3點鐘和下桿O點鐘。
[0154]對于人體3D模型、雙腳壓力、球桿軌跡和球軌跡的分析重點在于其聯(lián)系。通過調(diào)整人體和壓力的參數(shù)至一定范圍內(nèi)，球的軌跡應(yīng)該是可以預(yù)計的，而根據(jù)球軌跡的參數(shù)，相應(yīng)的人體3D模型、雙腳壓力和球桿軌跡是可以被逆向推測的。建立人體3D模型、雙腳壓力、球桿軌跡和球軌跡聯(lián)系的目的之一在于通過期望球軌跡限定球桿軌跡和人體模型的參數(shù)范圍。根據(jù)場合不同，球員會期望不同的球飛行軌跡，例如小左曲、大右曲或直球，這類球可以通過球的飛行軌跡參數(shù)來描述。通過分析可以得到擊出所期望飛行軌跡應(yīng)有的人體參數(shù)和球桿參數(shù)范圍，并針對性地進行訓(xùn)練。
[0155]建立人體3D模型、雙腳壓力、球桿軌跡和球軌跡聯(lián)系的另一個目的是通過不良的球軌跡回溯球桿的軌跡錯誤，進一步回溯至人體動作和雙腳壓力分配的錯誤。圖32展示了根據(jù)球軌跡追溯球桿軌跡，根據(jù)球桿軌跡追溯人體3D模型和雙腳壓力的數(shù)據(jù)分析方法。球的初始軌跡可以用多個參數(shù)描述，對球的參數(shù)861進行分析，例如球的發(fā)射角，一個良好的擊球過程中，這個角度大小應(yīng)該被限定在一定范圍內(nèi)，如果這個值較合理值發(fā)生了偏差，則一定是由于桿頭擊球時軌跡參數(shù)862處于一個不合理的值，近一步分析桿頭擊球時軌跡參數(shù)862，可以得到對球的參數(shù)861造成影響的桿頭軌跡參數(shù)。通過相同的方法可以由擊球時桿頭軌跡參數(shù)862追溯至揮桿過程中桿頭軌跡863，由揮桿過程中桿頭軌跡863追溯至人身體姿態(tài)變化參數(shù)864，從而建立起分析不良擊球的方法。
[0156]三、視覺呈現(xiàn)系統(tǒng)
[0157]1、顯示屏和投影屏幕
[0158]視覺呈現(xiàn)系統(tǒng)通過顯示屏901和投影屏幕902雙屏幕的方式進行視覺呈現(xiàn)，同時給出人體3D模型、雙腳壓力、球桿軌跡和球軌跡。顯示屏901帶來更好的操作體驗，投影屏幕902帶來更好的視覺體驗。圖33給出顯示屏901和投影屏幕902的設(shè)置方式，其中顯示屏901安裝在用戶面朝方向，用于建立3D模型向用戶直觀展現(xiàn)人完整的擊球過程及關(guān)鍵數(shù)據(jù)，包括人體姿態(tài)、球桿軌跡、球軌跡等。投影裝置903安裝于擊球區(qū)域之上，其對應(yīng)的投影屏幕902安裝于擊球方向上，用于建立球場的模擬環(huán)境，提供包括球起始飛行角度、飛行速度等信息，并在模擬球場中顯示球飛行軌跡及飛行距離。
[0159]顯示屏901可用于展現(xiàn)人體姿態(tài)的參數(shù)，包括:人體脊柱、手臂、大腿、頭部傾斜角，人體肩部、髖部轉(zhuǎn)動角，人體雙腳壓力、重心偏移、腳部輪廓，這些參數(shù)展示通過圖像和數(shù)值兩種方式表現(xiàn)其大小。顯示屏901用于重現(xiàn)球員的擊球過程，通過錄像和kinect陰影兩種方式，錄像特點為是擊球過程的真實再現(xiàn)，但是存在一個背景的干擾而kinect陰影捕捉圖像去除了背景圖案，專注于表現(xiàn)人體動作。顯示屏901用于展現(xiàn)球桿的軌跡，桿頭的軌跡可配合kinect陰影重現(xiàn)一個軌跡的生成過程。顯示屏901可用于生成球的飛行軌跡，包括球飛行距離的圖示和彈跳的細(xì)節(jié)，另外，顯示屏901應(yīng)有飛行距離、初始速度、初始角度的數(shù)據(jù)顯示。顯示屏901可用于提供用戶錯誤姿勢的信息，球員應(yīng)該在下一次揮桿過程中注意避免同樣的錯誤。顯示屏901可用于顯示多次揮桿間的差異，這個特性對于球員提高自己很有用，一方面球員可以對比自身幾次揮桿之間的差異，重點關(guān)注自己一次成功的揮桿過程和一次失敗的揮桿過程的差異，以記錄成功的揮桿過程并避免失敗的揮桿過程所犯的錯誤。另一方面，球員可對比自己和優(yōu)秀球員的差異，通過模仿優(yōu)秀球員的揮桿姿勢以提高自己的揮桿技巧。
[0160]投影屏幕902可用于顯示一個模擬的球場，提供一個更為真實的擊球感受。該模擬球場應(yīng)符合真實球場的環(huán)境設(shè)置，包含有球洞、峰頂、球場邊界等信息，并符合真實球場的大小規(guī)模。這個模擬球場可以為完全虛構(gòu)出來的，也可以是一個存在球場的完全再現(xiàn)。存在球場的完全再現(xiàn)事實上提供了一個對于該球場的專門訓(xùn)練。投影屏幕902可用于展現(xiàn)一個球的動態(tài)飛行軌跡，對自己擊球的飛行過程有個更直觀感受。球飛行軌跡有多種視覺角度，一種為從俯瞰角度完全表現(xiàn)球在一個球場的飛行過程，這樣對于球落點會有更直觀的感受。一種為從擊球者角度看球擊飛的過程，這樣可以更直觀感受球的角度、速度和遠(yuǎn)近的關(guān)系。一種為球的跟蹤視角，以展現(xiàn)更加良好的視覺效果。投影屏幕可包含顯示球歷史飛行軌跡的拓展功能，其有助于用戶分析揮桿姿勢和球軌跡之間的聯(lián)系。
[0161]視覺呈現(xiàn)系統(tǒng)還包括視覺呈現(xiàn)設(shè)備，視覺呈現(xiàn)設(shè)備包括在球員揮桿后提示球員的錯誤，處理器采集人體姿態(tài)的數(shù)據(jù)，處理器根據(jù)采集的數(shù)據(jù)計算人體3D模型，處理器將人體3D模型與正確的模型相比較，視覺呈現(xiàn)設(shè)備提示人體揮桿過程中錯誤的身體姿勢。
[0162]視覺呈現(xiàn)設(shè)備包括在同一時間坐標(biāo)下，同時顯示人體3D模型和球桿軌跡的圖像及相關(guān)數(shù)據(jù)隨時間的變化，視覺呈現(xiàn)設(shè)備顯示時間軸，時間軸會提示關(guān)鍵的時間點，通過點擊時間軸上的關(guān)鍵時間點可查看關(guān)鍵時刻的人體3D模型圖像和數(shù)據(jù)，通過點擊時間軸上的關(guān)鍵時間點可查看關(guān)鍵時刻的球桿軌跡圖像和數(shù)據(jù)。
[0163]視覺呈現(xiàn)設(shè)備包括在人體視覺范圍內(nèi)呈現(xiàn)點或線或箭頭或圓等幾何圖形，以描述人體或高爾夫球的運動，處理器采集人體姿態(tài)及球的數(shù)據(jù)，處理器根據(jù)采集的數(shù)據(jù)計算人體3D模型及高爾夫球飛行軌跡，處理器控制所述視覺呈現(xiàn)設(shè)備改變點或線或箭頭或圓等幾何圖形的位置和方向，以描述人體3D模型及高爾夫球飛行軌跡，點或線或箭頭或圓等幾何圖形的呈現(xiàn)包括隨人體變化實時呈現(xiàn)及在揮桿完成后進行呈現(xiàn)。
[0164]2、激光發(fā)射裝置
[0165]視覺呈現(xiàn)設(shè)備包括激光發(fā)射裝置1001，激光發(fā)射裝置1001在地面上投影一條線，用于在人體視覺范圍內(nèi)實時展現(xiàn)人身體的轉(zhuǎn)動角度;處理器采集人體姿態(tài)的數(shù)據(jù)，包括肩部轉(zhuǎn)動角度和髖部轉(zhuǎn)動角度;處理器根據(jù)采集的數(shù)據(jù)計算投影的激光線角度。處理器控制連接在投影裝置903上的激光發(fā)射裝置1001在地面上投影一條和所表現(xiàn)人體部位平行的線。激光發(fā)射裝置1001用于實時呈現(xiàn)人體身體的轉(zhuǎn)動角度。對于高質(zhì)量的擊球，人體上身轉(zhuǎn)動角是重要參數(shù)，但該參數(shù)僅可從俯瞰的視覺更好地捕捉。激光發(fā)射裝置1001在地面上投影出直線1010在人體視覺范圍實時展現(xiàn)人體的轉(zhuǎn)動角度。圖34展示了通過激光發(fā)射裝置1001實時展現(xiàn)人體轉(zhuǎn)動角度的圖示，在其中線1011隨著肩部轉(zhuǎn)動實時轉(zhuǎn)動，保持與肩部在地上的投影1021相平行，以實時顯示肩部轉(zhuǎn)動角805;線1012隨著髖部轉(zhuǎn)動實時轉(zhuǎn)動，保持與髖部在地上的投影1022相平行，以實時顯示肩部轉(zhuǎn)動角806。通過觀察線1011和1012，上半身的轉(zhuǎn)動角度可被球員觀察到。
[0166]3、LED 燈帶
[0167]視覺呈現(xiàn)設(shè)備還包括兩條LED燈帶，用于展現(xiàn)人重心的分配情況。對于高質(zhì)量的擊球，重心分配是重要參數(shù)，重心通過左右腳的支撐力比例來判斷，而左右腳的支撐力比例則通過左右燈帶亮燈比例表示。左右的燈帶各由32盞LED燈組成，LED燈隨著支撐力所占比例的增加而逐步點亮。支撐力比例每增加3.125%，燈多點亮一盞，這樣，當(dāng)力的分配達到100 %時，則剛好可以將LED燈全部點亮。球員可以通過左右LED燈點亮情況實時判斷自己重心分配情況/。
[0168]四、本實用新型系統(tǒng)所需的必要機械結(jié)構(gòu)
[0169]1、可升降球梯
[0170]高爾夫多傳感器綜合訓(xùn)練系統(tǒng)包括可升降球梯，用于提供球在地上和球在球梯上兩種擊球情況。圖38表示了可升降球梯的機械結(jié)構(gòu)，其由球梯1201、轉(zhuǎn)動軸1203、皮帶1204、電機1202、感應(yīng)器組成。球梯被設(shè)計1201成管道形式，材質(zhì)為橡膠，這種結(jié)構(gòu)和材質(zhì)在變形后可恢復(fù)，保證了球桿揮中球梯1201不至于損壞。電機1202轉(zhuǎn)動帶動球梯1201倒下或升起。傳動方式為帶傳動，當(dāng)球桿擊中球梯1201，球梯1201被擊倒，帶傳動確保傳動結(jié)構(gòu)不至于損壞。感應(yīng)器檢測球梯1201是否到位，當(dāng)球梯1201到位時停止電機1202。整個可升降球梯被埋在草墊內(nèi)部，以保護球梯1201的機械結(jié)構(gòu)并提供一個平整的地面?？梢钥吹剑?dāng)球梯升起，球剛好落入橡膠管開口處確保其不至于移動，當(dāng)球梯落下，球剛好卡在地面上的孔中，確保其不至于隨意移動。
[0171]2、出球機構(gòu)
[0172]高爾夫多傳感器綜合訓(xùn)練系統(tǒng)還包括一個出球機構(gòu)用于擊球后自動擺放一個球在擊球點。圖36給出了出球機構(gòu)的機械結(jié)構(gòu)，其由儲球結(jié)構(gòu)、軌道1103、步進電機1104、軌道感應(yīng)器組成。儲球結(jié)構(gòu)由一個管道1102和托盤1101組成，管道直徑1102僅允許一次一顆球通過，管道1102的材料為透明工程塑料，以便用戶觀察儲存球的數(shù)量，托盤1101—端口做的足夠大以保證球容易被放入托盤，且其大小保證了能儲存一定數(shù)量的球。軌道1103用于球的滑落，入球側(cè)設(shè)計了一個勺狀結(jié)構(gòu)保證一次僅有一顆球被放入，如圖37A和圖37B所示，當(dāng)軌道升起1152，球可以進入軌道。當(dāng)軌道落下1151，勺狀結(jié)構(gòu)阻止下一顆球進入軌道，且軌道1103提供合適的傾角確保球滑下。軌道1103出球側(cè)有一個緩沖墊可以保證球的豎直落下，使球平穩(wěn)放置到球梯或地面上。一個步進電機1104被用于帶動軌道1103升起或落下，兩軌道感應(yīng)器用于檢測軌道1103是否就位，當(dāng)軌道1103就位時發(fā)出信號停止步進電機1104。
[0173]以上顯示和描述了本實用新型的基本原理、主要特征和本實用新型的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神和范圍的前提下本實用新型還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本實用新型范圍內(nèi)。本實用新型要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等同物界定。
【主權(quán)項】
1.一種高爾夫多傳感器綜合訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于，包括傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)和視覺呈現(xiàn)系統(tǒng)，所述傳感器系統(tǒng)包括慣性傳感器、運動捕捉傳感器和壓力傳感器，所述數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)包括處理器，所述處理器與所述傳感器系統(tǒng)相通訊，所述處理器與所述視覺呈現(xiàn)系統(tǒng)相通訊。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高爾夫多傳感器綜合訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于，所述運動捕捉傳感器包括紅外傳感器和/或攝像機系統(tǒng)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高爾夫多傳感器綜合訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感器系統(tǒng)還包括3D深度攝像機。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高爾夫多傳感器綜合訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感器系統(tǒng)還包括3D深度攝像機。5.根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的高爾夫多傳感器綜合訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于，所述攝像機系統(tǒng)包括兩個左側(cè)的攝像機和兩個右側(cè)的攝像機，兩個左側(cè)的攝像機和兩個右側(cè)的攝像機集成在可拆卸模塊上。6.根據(jù)權(quán)利要求1?4任一項所述的高爾夫多傳感器綜合訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于，所述慣性傳感器包括運動傳感器，所述運動傳感器設(shè)置在人體的肩部、髖部、腕部以及球桿桿頭，所述運動傳感器包括加速度計、陀螺儀和磁力計，所述運動傳感器通過無線傳輸協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)至所述處理器。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高爾夫多傳感器綜合訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于，所述運動傳感器設(shè)置于球桿桿頭的位置包括如下:(I)所述運動傳感器設(shè)置在靠近桿頭的球桿上；(2)所述運動傳感器粘貼在桿頭擊球面的背面；(3)所述運動傳感器設(shè)置在桿頭內(nèi)部，所述運動傳感器與附在桿頭處的天線相連接，或者所述運動傳感器與桿頭的金屬外殼相連接作為天線。8.根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的高爾夫多傳感器綜合訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于，所述紅外傳感器包括第一組紅外傳感器和第二組紅外傳感器，所述第一組紅外傳感器包括第一組紅外發(fā)射裝置，所述第一組紅外發(fā)射裝置發(fā)射的紅外光被第一組紅外接收區(qū)接收，所述第一組紅外傳感器包括第二組紅外發(fā)射裝置，所述第二組紅外發(fā)射裝置發(fā)射的紅外光被第二組紅外接收區(qū)接收;所述第一組紅外接收區(qū)的檢測區(qū)域分為球軌跡檢測區(qū)、球桿軌跡檢測區(qū)、球桿就位檢測區(qū)和球就位檢測區(qū);所述第二組紅外接收區(qū)的檢測區(qū)域分為球軌跡檢測區(qū)和球桿軌跡檢測區(qū)。9.根據(jù)權(quán)利要求1?4任一項所述的高爾夫多傳感器綜合訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于，所述壓力傳感器包括膜片式壓力傳感器和稱重式壓力傳感器，所述膜片式壓力傳感器和稱重式壓力傳感器通過機械連接結(jié)構(gòu)連接。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的高爾夫多傳感器綜合訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于，所述稱重式壓力傳感器采用壓力應(yīng)變片，所述膜片式壓力傳感器采用集成若干膜片傳感器的膜片，所述壓力傳感器由數(shù)個壓力傳感器模塊組成，所述壓力傳感器模塊包括四個所述壓力應(yīng)變片和一個所述集成若干膜片傳感器的膜片，所述壓力傳感器模塊之間相互連接。11.根據(jù)權(quán)利要求1?4任一項所述的高爾夫多傳感器綜合訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于，所述視覺呈現(xiàn)系統(tǒng)包括顯示屏和投影屏幕。12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的高爾夫多傳感器綜合訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于，所述視覺呈現(xiàn)系統(tǒng)還包括視覺呈現(xiàn)設(shè)備。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的高爾夫多傳感器綜合訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于，所述視覺呈現(xiàn)設(shè)備包括激光發(fā)射裝置。14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的高爾夫多傳感器綜合訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于，所述視覺呈現(xiàn)設(shè)備還包括兩條LED燈帶，所述LED燈帶包括若干LED燈。15.根據(jù)權(quán)利要求1?4任一項所述的高爾夫多傳感器綜合訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于，所述高爾夫多傳感器綜合訓(xùn)練系統(tǒng)還包括可升降球梯，所述可升降球梯包括球梯、電機和感應(yīng)器，所述電機轉(zhuǎn)動帶動球梯倒下或升起，所述感應(yīng)器檢測所述倒下或升起是否到位，當(dāng)所述球梯到位時所述電機停止轉(zhuǎn)動。16.根據(jù)權(quán)利要求1?4任一項所述的高爾夫多傳感器綜合訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于，所述高爾夫多傳感器綜合訓(xùn)練系統(tǒng)還包括出球機構(gòu)，所述出球機構(gòu)包括儲球結(jié)構(gòu)、軌道、步進電機和軌道感應(yīng)器，所述儲球結(jié)構(gòu)包括管道和托盤，所述軌道經(jīng)過設(shè)計一次只有一顆球放入，所述步進電機轉(zhuǎn)動帶動所述軌道升起或落下，兩個所述軌道感應(yīng)器檢測所述軌道升起或落下是否就位，當(dāng)所述軌道就位時所述步進電機停止轉(zhuǎn)動。
【文檔編號】A63B69/36GK205549474SQ201620216909
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年3月21日
【發(fā)明人】陳燕, 陳進
【申請人】上海英詩帕信息科技有限公司