專利名稱：一種運動練習拍的運動數(shù)據(jù)處理方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及運動識別領(lǐng)域，尤其涉及一種運動練習拍的運動數(shù)據(jù)處理方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在人們進行各種運動時，往往希望能夠直觀的看到自己進行運動時的運動軌跡、力量、速度、位置等信息，尤其是對于專業(yè)的運動員來說，這些信息能夠有助于提高訓(xùn)練效果，糾正一些不良的動作習慣等。對運動的識別首先需要對運動參數(shù)進行分析，運動參數(shù)的分析指的是以一定時間間隔密集地收集運動物體在一段運動過程中的每一時刻的物體在三維空間的空間位置(空間坐標)，物體的姿態(tài)以及線速度等。對運動參數(shù)進行定量分析的應(yīng)用領(lǐng)域不僅在于運動輔助、運動練習器材，同樣可以應(yīng)用在其他領(lǐng)域，如游戲，多媒體，機器人等?，F(xiàn)有技術(shù)中，運動識別技術(shù)主要包括:圖像法、PSD (位置敏感探測)陣列加MEMS傳感器檢測法、激光定位和MEMS傳感器檢測法。圖像法指的是利用攝像頭來拍攝物體運動時的一系列圖像，然后經(jīng)過圖像處理、特征提取、目標特征點匹配從而獲取運動參數(shù)；后面兩種方法都是檢測物體的三維運動及運動參數(shù)。但上述方法都存在一些不足:采樣外置攝像頭或外置定位檢測裝置，這不僅增加了圖像處理的預(yù)算量，還增加了成本，并且整個處理系統(tǒng)復(fù)雜、使用不方便，容易受到背景光及環(huán)境的影響。現(xiàn)有技術(shù)還有待于改進和發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種運動練習拍的運動數(shù)據(jù)處理方法及系統(tǒng)，旨在解決現(xiàn)有的運動識別方法運算量大、處理過程復(fù)雜、容易受到環(huán)境影響的問題。本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種運動練習拍的運動數(shù)據(jù)處理方法，其中，包括步驟:
A、通過設(shè)置在運動練習拍的運動傳感器，以預(yù)定的時間間隙采集所述運動練習拍的運動數(shù)據(jù)，形成一段時間內(nèi)的多個采樣點；
B、對各個采樣點的運動數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，消除運動傳感器的自身零飄以及周圍環(huán)境的電磁干擾；
C、根據(jù)數(shù)據(jù)預(yù)處理后的運動數(shù)據(jù)計算運動練習拍在各個采樣點相對于參考坐標系的姿態(tài)角，并根據(jù)所述姿態(tài)角以及運動數(shù)據(jù)得到運動練習拍在各個采樣點的受力信息、轉(zhuǎn)動信息以及空間位置信息；
D、根據(jù)運動練習拍在各個采樣點的受力信息、轉(zhuǎn)動信息以及空間位置信息得到用戶使用運動練習拍的力量、速度、角度信息以及運動軌跡，并將得到的力量、速度、角度信息以及運動軌跡輸出顯示。所述的運動練習拍的運動數(shù)據(jù)處理方法，其中，所述步驟A中，所述運動傳感器包括加速度計、陀螺儀及磁力計，運動數(shù)據(jù)包括通過加速度計采集的加速度、陀螺儀采集的角速度以及磁力計采集的地磁場在運動練習拍當前時刻所處姿態(tài)下的三軸向分量。所述的運動練習拍的運動數(shù)據(jù)處理方法，其中，所述數(shù)據(jù)預(yù)處理包括:
預(yù)先通過加速度計采集在不同姿態(tài)下的加速度預(yù)期值的預(yù)期值矩陣以及加速度測量值的測量值矩陣得到校準矩陣，通過所述校準矩陣對各個采樣點的加速度進行校準處理；預(yù)先多次測量陀螺儀在靜止狀態(tài)下的角速度，并計算測量的多個角速度的平均值作為陀螺儀的零漂偏移量，將各個采樣點的角速度減去所述零漂偏移量得到預(yù)處理后的角速度；
預(yù)先通過磁力計采集運動練習拍的磁場矩陣以及三軸平方和矩陣，通過最小均方誤差處理得到磁力計的硬磁干擾向量，將各個采樣點的三軸向分量減去所述硬磁干擾向量得到預(yù)處理后的三軸向分量。所述的運動練習拍的運動數(shù)據(jù)處理方法，其中，所述姿態(tài)角包括:翻滾角ROLL，俯仰角PITCH和方位角YAW ；
R0LL = -asin ( ACCx )，PITCH = atan2 ( ACCy,ACCz )，YAW=atan2 (MagJi * Magy ), MagJt, Magy
是磁力計測量值的X、Y軸向分量分別在參考水平面的投影值，Accx.AccyjAccz
是加速度計測量值在剛體坐標系下的加速度三軸向分量。所述的運動練習拍的運動數(shù)據(jù)處理方法，其中，所述步驟C具體包括:
Cl、通過運動練習拍在各個采樣點相對于參考坐標系的姿態(tài)角，計算出各個采樣點在載體坐標系相對于參考坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣；
C2、通過每一采樣點在載體坐標系下的加速度矩陣以及所述轉(zhuǎn)換矩陣，計算出每一采樣點在參考坐標系的加速度矩陣；
C3、將每一采樣點的在參考坐標系下的加速度矩陣減去重力加速度向量得到消除地球重力影響后的加速度矩陣，并計算每一采樣點相對于參考坐標系的速度矩陣；
C4、根據(jù)所述速度矩陣和消除地球重力影響后的加速度矩陣計算出每一采樣點的位移向量矩陣，由所述位移向量矩陣、消除重力影響后的加速度矩陣以及姿態(tài)角得到運動練習拍在各個采樣點的受力信息、轉(zhuǎn)動信息以及空間位置信息。所述的運動練習拍的運動數(shù)據(jù)處理方法，其中，所述步驟C4中，運動練習拍在各個采樣點的受力F為:
F= *K, K是為運動練習拍的轉(zhuǎn)換系數(shù)，I7ttO為消除重力影響后的加速度矩陣。一種運動練習拍的運動數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其中，包括:
運動數(shù)據(jù)采集模塊，用于通過設(shè)置在運動練習拍的運動傳感器，以預(yù)定的時間間隙采集所述運動練習拍的運動數(shù)據(jù)，形成一段時間內(nèi)的多個采樣點；
數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊，用于對各個采樣點的運動數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，消除運動傳感器的自身零飄以及周圍環(huán)境的電磁干擾；
采樣點信息獲取模塊，用于根據(jù)數(shù)據(jù)預(yù)處理后的運動數(shù)據(jù)計算運動練習拍在各個采樣點相對于參考坐標系的姿態(tài)角，并根據(jù)所述姿態(tài)角以及運動數(shù)據(jù)得到運動練習拍在各個采樣點的受力信息、轉(zhuǎn)動信息以及空間位置信息；
運動識別模塊，用于根據(jù)運動練習拍在各個采樣點的受力信息、轉(zhuǎn)動信息以及空間位置信息得到用戶使用運動練習拍的力量、速度、角度信息以及運動軌跡，并將得到的力量、速度、角度信息以及運動軌跡輸出顯示。所述的運動練習拍的運動數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其中，所述運動傳感器包括加速度計、陀螺儀及磁力計，運動數(shù)據(jù)包括通過加速度計采集的加速度、陀螺儀采集的角速度以及磁力計采集的地磁場在運動練習拍當前時刻所處姿態(tài)下的三軸向分量。所述的運動練習拍的運動數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其中，所述采樣點信息獲取模塊包括: 第一計算單元，用于通過運動練習拍在各個采樣點相對于參考坐標系的姿態(tài)角，計算
出各個米樣點在載體坐標系相對于參考坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣；
第二計算單元，用于通過每一采樣點在載體坐標系下的加速度矩陣以及所述轉(zhuǎn)換矩陣，計算出每一采樣點在參考坐標系的加速度矩陣；
第三計算單元，用于將每一采樣點的在參考坐標系下的加速度矩陣減去重力加速度向量得到消除地球重力影響后的加速度矩陣，并計算每一采樣點相對于參考坐標系的速度矩陣；
信息獲取單元，用于根據(jù)所述速度矩陣和消除地球重力影響后的加速度矩陣計算出每一采樣點的位移向量矩陣，由所述位移向量矩陣、消除重力影響后的加速度矩陣以及姿態(tài)角得到運動練習拍在各個采樣點的受力信息、轉(zhuǎn)動信息以及空間位置信息。有益效果:本發(fā)明通過對運動數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，從而消除了運動傳感器的自身零飄以及周圍環(huán)境的電磁干擾，并且根據(jù)計算得到的姿態(tài)角以及運動數(shù)據(jù)獲得了運動練習拍在各個采樣點的受力信息、轉(zhuǎn)動信息以及空間位置信息，最后使用戶直觀的看到了用戶使用運動練習拍的力量、速度、角速度信息以及運動軌跡，本發(fā)明的方法數(shù)據(jù)處理量小，運算簡單，在保證了一定精度的情況下，能夠快速獲得運動練習拍在空間的姿態(tài)角，減少了積分誤差效應(yīng)，可長時間使用。


圖1為本發(fā)明運動練習拍的運動數(shù)據(jù)處理方法較佳實施例的流程圖。圖2為圖1所示方法中步驟S103的具體流程圖。圖3為本發(fā)明運動練習拍的運動數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)較佳實施例的結(jié)構(gòu)框圖。圖4為圖3所示系統(tǒng)中采樣點信息獲取模塊的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供一種運動練習拍的運動數(shù)據(jù)處理方法及系統(tǒng)，為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及效果更加清楚、明確，以下對本發(fā)明進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明提供一種運動練習拍的運動數(shù)據(jù)處理方法較佳實施例的流程圖，如圖所示，其包括:
5101、通過設(shè)置在運動練習拍的運動傳感器，以預(yù)定的時間間隙采集所述運動練習拍的運動數(shù)據(jù)形成一段時間內(nèi)的多個采樣點；
5102、對各個采樣點的運動數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，消除運動傳感器的自身零飄以及周圍環(huán)境的電磁干擾；
5103、根據(jù)數(shù)據(jù)預(yù)處理后的運動數(shù)據(jù)計算運動練習拍在各個采樣點相對于參考坐標系的姿態(tài)角，并根據(jù)所述姿態(tài)角以及運動數(shù)據(jù)得到運動練習拍在各個采樣點的受力信息、轉(zhuǎn)動信息以及空間位置信息；
5104、根據(jù)運動練習拍在各個采樣點的受力信息、轉(zhuǎn)動信息以及空間位置信息得到用戶使用運動練習拍的力量、速度、角度信息以及運動軌跡，并將得到的力量、速度、角度信息以及運動軌跡輸出顯示。首先在步驟SlOl中，以預(yù)設(shè)的時間間隙即每隔預(yù)定時間采集運動練習拍的運動數(shù)據(jù)，其具體是通過讀取安裝在運動練習拍上的各種運動傳感器來的運動數(shù)據(jù)，其中的運動傳感器包括加速度計、陀螺儀、磁力計，加速度計可以采集運動練習拍的加速度，陀螺儀可以采集運動練習拍的角速度，而磁力計則可以采集地磁場在運動練習拍當前時刻所處姿態(tài)下的三軸向分量，本發(fā)明中的加速度計、陀螺儀、磁力計都是三軸傳感器，這些傳感器測量出的數(shù)據(jù)都是剛體坐標系下的X、Y、Z (相互垂直)三個軸的數(shù)據(jù)值，稱之為三軸向分量。而所述的時間間隙可以根據(jù)硬件的運行速度以及采樣精度綜合考慮，一般來說，采樣間隔時間越短越能真實反應(yīng)物體運動特性，但考慮到運算速度和存儲容量，本發(fā)明采用IOOHz的采樣頻率，即所述的時間間隙為10ms。在步驟S102中，通過各個傳感器采集了運動練習拍的運動數(shù)據(jù)后，需要對這些運動數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，以便消除傳感器的自身零飄以及周圍環(huán)境的電磁干擾，使最后得到的運動數(shù)據(jù)盡可能反映真實的運動信息。下面分別描述各個運動傳感器采集的運動數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)預(yù)處理方法。對于加速度計的測量值即加速度，因為在地球上，物體的重力加速度是時刻存在的，物體在不同的姿態(tài)下，加速度計的測量值和預(yù)期值的偏移有較大的差異，所以在這種情況下，無法用測量值減去一個固定偏移值來對加速度計的測量值進行校準，否則在不同的姿態(tài)下的誤差就會不一致，影響整個數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。本發(fā)明采用最小均方誤差法來對加速度計的測量值進行校準。預(yù)先加速度計采集運動練習拍在不同姿態(tài)下的加速度預(yù)期值的預(yù)期矩陣以及加速度測量值的測量矩陣得到校準矩陣，通過所述校準矩陣對各個采樣點的加速度進行校準處理。具體計算公式為:Y=W*X，其中的Y即運動練習拍在不同姿態(tài)下的加速度預(yù)期值的預(yù)期矩陣，該預(yù)期矩陣是指加速度計在靜止狀態(tài)下所測得的測量值，在靜止狀態(tài)下，加速度計只受地球重力影響，所以加速度的三個軸向分量是可知的，即可預(yù)期的，例如加速度計正面朝上、水平靜止放在桌面上，此時加速度預(yù)期值為:ACCx=0，ACCy=O, ACCz=I ;胃為加速度計實際測量的加速度測量值的測量矩陣加上一列I向量得到的實際矩陣，X為用于校準用的校準矩陣。本發(fā)明選取正上(運動傳感器正面朝上)、正下(運動傳感器正面朝下)、左上(運動傳感器左側(cè)朝上)、左下(運動傳感器左側(cè)朝下)、頂上(運動傳感器右側(cè)朝上)、頂下(運動傳感器右側(cè)朝下)這六種姿態(tài)來分別測量若干次，并求取每種姿態(tài)下的加速度測量值的平均
值，再加上一列I向量得到實際矩陣,那么可以通過
權(quán)利要求
1.一種運動練習拍的運動數(shù)據(jù)處理方法，其特征在于，包括步驟: A、通過設(shè)置在運動練習拍的運動傳感器，以預(yù)定的時間間隙采集所述運動練習拍的運動數(shù)據(jù)，形成一段時間內(nèi)的多個采樣點； B、對各個采樣點的運動數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，消除運動傳感器的自身零飄以及周圍環(huán)境的電磁干擾； C、根據(jù)數(shù)據(jù)預(yù)處理后的運動數(shù)據(jù)計算運動練習拍在各個采樣點相對于參考坐標系的姿態(tài)角，并根據(jù)所述姿態(tài)角以及運動數(shù)據(jù)得到運動練習拍在各個采樣點的受力信息、轉(zhuǎn)動信息以及空間位置信息； D、根據(jù)運動練習拍在各個采樣點的受力信息、轉(zhuǎn)動信息以及空間位置信息得到用戶使用運動練習拍的力量、速度、角度信息以及運動軌跡，并將得到的力量、速度、角度信息以及運動軌跡輸出顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的運動練習拍的運動數(shù)據(jù)處理方法，其特征在于，所述步驟A中，所述運動傳感器包括加速度計、陀螺儀及磁力計，運動數(shù)據(jù)包括通過加速度計采集的加速度、陀螺儀采集的角速度以及磁力計采集的地磁場在運動練習拍當前時刻所處姿態(tài)下的三軸向分量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的運動練習拍的運動數(shù)據(jù)處理方法，其特征在于，所述數(shù)據(jù)預(yù)處理包括:預(yù)先通過加速度計采集在不同姿態(tài)下的加速度預(yù)期值的預(yù)期值矩陣以及加速度測量值的測量值矩陣得到校準矩陣，通過所述校準矩陣對各個采樣點的加速度進行校準處理；預(yù)先多次測量陀螺儀在靜止狀態(tài)下的角速度，并計算測量的多個角速度的平均值作為陀螺儀的零漂偏移量，將各個采樣點的角速度減去所述零漂偏移量得到預(yù)處理后的角速度； 預(yù)先通過磁力計采集運動練習拍的磁場矩陣以及三軸平方和矩陣，通過最小均方誤差處理得到磁力計的硬磁干擾向量，將各個采樣點的三軸向分量減去所述硬磁干擾向量得到預(yù)處理后的三軸向分量。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的運動練習拍的運動數(shù)據(jù)處理方法，其特征在于，所述姿態(tài)角包括:翻滾角ROLL，俯仰角PITCH和方位角YAW ； R0LL = -asin ( ACCx )，PITCH = a`tan2 ( ACCy, ACCz )，YAff=atan2 (MagJt Magy ),Mag； Magy是磁力計的測量值的x、Y軸向分量分別在參考水平面的投影值，Accx , AccyiAccz是加速度計測量值在剛體坐標系下的加速度三軸向分量。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的運動練習拍的運動數(shù)據(jù)處理方法，其特征在于，所述步驟C具體包括: Cl、通過運動練習拍在各個采樣點相對于參考坐標系的姿態(tài)角，計算出各個采樣點在載體坐標系相對于參考坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣，并計算每一采樣點相對于參考坐標系的速度矩陣；C2、通過每一采樣點在載體坐標系下的加速度矩陣以及所述轉(zhuǎn)換矩陣，計算出每一采樣點在參考坐標系的加速度矩陣； C3、將每一采樣點的在參考坐標系下的加速度矩陣減去重力加速度向量得到消除地球重力影響后的加速度矩陣； C4、根據(jù)所述速度矩陣和消除地球重力影響后的加速度矩陣計算出每一采樣點的位移向量矩陣，由所述位移向量矩陣、消除重力影響后的加速度矩陣以及姿態(tài)角得到運動練習拍在各個采樣點的受力信息、轉(zhuǎn)動信息以及空間位置信息。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的運動練習拍的運動數(shù)據(jù)處理方法，其特征在于，所述步驟C4中，運動練習拍在各個采樣點的受力F為: F= *K, K是為運動練習拍的轉(zhuǎn)換系數(shù)，為消除重力影響后的加速度矩陣。
7.—種運動練習拍的運動數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其特征在于，包括: 運動數(shù)據(jù)采集模塊，用于通過設(shè)置在運動練習拍的運動傳感器，以預(yù)定的時間間隙采集所述運動練習拍的運動數(shù)據(jù)，形成一段時間內(nèi)的多個采樣點； 數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊，用于對各個采樣點的運動數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，消除運動傳感器的自身零飄以及周圍環(huán)境的電磁干擾； 采樣點信息獲取模塊，用于根據(jù)數(shù)據(jù)預(yù)處理后的運動數(shù)據(jù)計算運動練習拍在各個采樣點相對于參考坐 標系的姿態(tài)角，并根據(jù)所述姿態(tài)角以及運動數(shù)據(jù)得到運動練習拍在各個采樣點的受力信息、轉(zhuǎn)動信息以及空間位置信息； 運動識別模塊，用于根據(jù)運動練習拍在各個采樣點的受力信息、轉(zhuǎn)動信息以及空間位置信息得到用戶使用運動練習拍的力量、速度、角度信息以及運動軌跡，并將得到的力量、速度、角度信息以及運動軌跡輸出顯示。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的運動練習拍的運動數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其特征在于，所述運動傳感器包括加速度計、陀螺儀及磁力計，運動數(shù)據(jù)包括通過加速度計采集的加速度、陀螺儀采集的角速度以及磁力計采集的地磁場在運動練習拍當前時刻所處姿態(tài)下的三軸向分量。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的運動練習拍的運動數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其特征在于，所述采樣點信息獲取模塊包括: 第一計算單元，用于通過運動練習拍在各個采樣點相對于參考坐標系的姿態(tài)角，計算出各個米樣點在載體坐標系相對于參考坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣，并計算每一米樣點相對于參考坐標系的速度矩陣； 第二計算單元，用于通過每一采樣點在載體坐標系下的加速度矩陣以及所述轉(zhuǎn)換矩陣，計算出每一采樣點在參考坐標系的加速度矩陣； 第三計算單元，用于將每一采樣點的在參考坐標系下的加速度矩陣減去重力加速度向量得到消除地球重力影響后的加速度矩陣； 信息獲取單元，用于根據(jù)所述速度矩陣和消除地球重力影響后的加速度矩陣計算出每一采樣點的位移向量矩陣，由所述位移向量矩陣、消除重力影響后的加速度矩陣以及姿態(tài)角得到運動練習拍在各個采樣點的受力信息、轉(zhuǎn)動信息以及空間位置信息。
全文摘要
本發(fā)明公開一種運動練習拍的運動數(shù)據(jù)處理方法及系統(tǒng)，其中，所述方法包括步驟通過設(shè)置在運動練習拍的運動傳感器，以預(yù)定的時間間隙采集所述運動練習拍的運動數(shù)據(jù)，形成一段時間內(nèi)的多個采樣點；對各個采樣點的運動數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，消除運動傳感器的自身零飄以及周圍環(huán)境的電磁干擾；根據(jù)數(shù)據(jù)預(yù)處理后的運動數(shù)據(jù)計算運動練習拍在各個采樣點相對于參考坐標系的姿態(tài)角，并根據(jù)所述姿態(tài)角以及運動數(shù)據(jù)得到運動練習拍在各個采樣點的受力信息、轉(zhuǎn)動信息以及空間位置信息。
文檔編號G01C21/20GK103105166SQ20131002916
公開日2013年5月15日 申請日期2013年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月25日
發(fā)明者肖署輝 申請人:深圳市爾思電子有限公司