CN105095644B - 一种修正颠球计数误差的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种修正颠球计数误差的方法，基于球的加速度、角速度及空间位置变化，确定球弹跳动作发生后，计算弹跳特征值，判断弹跳特征值是否符合预设的触球弹跳条件；如果是，并且当前弹跳动作不是触地反弹动作，则计算球的腾空特征值，判断腾空特征值是否符合预设的腾空条件，如果是，则颠球成功并计数。本发明通过球的加速度与角速度进行颠球计数的修正，通过触球弹跳条件与腾空条件准确统计球发生弹跳动作的次数，并通过排除触地反弹动作来修正弹跳动作的次数，得到准确的颠球次数。由于传感器只在数据变化时传出数据，造成相邻的两组数据并不是等时差，本发明通过数据校正，使得传感器传出的数据等时差分布，使本发明对颠球的计数更精确。
Description
技术领域
本发明涉及数据修正技术，更具体地说，涉及一种修正颠球计数误差的方法。
背景技术
目前可知的加速度传感器，可量测重心倾斜、上下左右晃动、以及空间中的移动变化；陀螺仪传感器，利用科里奥利力原理造成的物理作用力，可量测在各轴角速度变量；磁力传感器，可量测磁力变化或相对于地球磁力的感应变化，可辨别空间方向变化。将3轴加速度传感器、3轴陀螺仪传感器及3轴地磁传感器集成在一个封装中，可实现9个自由度的检测即为9轴惯性传感器。
而传感器的电子机械本身带有一定的杂讯，伴随温度的变化也会引响量测值。例如陀螺仪传感器，伴随杂讯的累加，会造成更大的误差，但也可藉由磁力传感器的数据作实时的校正得到更精确的角速度变化值；当角加速度变化时，也会影响传感器的量测数据，若根据九轴惯性运动传感器的数据还原运动轨迹在空间坐标的相对位移，得到的误差将会非常大。
9轴惯性传感器供便携终端及移动产品使用的、可计算复杂运动及高精度位置信息。已广泛的应用在动作感应、动作轨迹追踪、特定行为判断、计步器等等。
足球运动中的颠球训练是用身体的某个或某些部位连续不断地将处于空中的球轻轻击起的动作。是增强球感、熟悉球性的有效方法，需要任何等级运动员坚持不懈的练习。颠球可作为准备活动，也可用作前后两个练习之间的调整过渡手段。
但在颠球训练的过程中，无法精确的判断颠球训练的准确性。
中国实用新型专利申请201020661328.5公开了一种计数球具，由球壳、计数器、开关壳、活动开关、阻尼件、连接带组成的一种计数球具，在球壳的内腔中通过连接带连接有开关壳，在开关壳的内腔中设有活动开关；在开关壳与活动开关之间设有阻尼件，在球壳上设有计数器；所述的开关壳、活动开关通过导线与计数器相连接。
但上述的实用新型的主要部件均设置在球具的中心，不适用于对球体质量分布控制非常严格的比赛类用球。而且对球具的弹跳进行无区别计数，没有排除其他非颠球动作，计数结果不准确。
中国实用新型专利申请201220168943.1公开了一种可计颠球数的足球，包括球壳和电子计数器，所述的球壳上设有电子计数器，电子计数器外部设有显示器，显示屏下端设有开关和电池舱盖。电子计数器对颠球过程进行计数。但球体微小的震动和落地后计数器依然计数，影响的颠球计数的准确性。同时显示屏暴露于球表面，颠球过程本质是球体受到撞击的过程，易于造成显示屏的损坏。
中国发明专利申请201410347046.0公开了一种带自动计数功能的球类运动器材，包括球体、球体震动传感器及用于佩戴于手腕上的手表式计数器。通过球体震动传感器、手腕震动传感器的结合来判断踢球次数。但手腕震动与球体震动在颠球过程中是否有相关性值得商榷，因此在颠球过程计数很难准确。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够排除非颠球弹跳对真实颠球次数的影响的修正颠球计数误差的方法。
本发明的技术方案如下：
一种修正颠球计数误差的方法，基于球的加速度、角速度及空间位置变化，确定球弹跳动作发生后，计算弹跳特征值，判断弹跳特征值是否符合预设的触球弹跳条件；如果是，并且当前弹跳动作不是触地反弹动作，则计算球的腾空特征值，判断腾空特征值是否符合预设的腾空条件，如果是，则颠球成功并计数。
作为优选，当弹跳特征值不符合预设的触球弹跳条件，判断是否处于颠球过程，如果已开始颠球或已完成一次颠球，则结束颠球计数；如果未开始颠球或未完成一次颠球，则等待下一次弹跳动作发生。
作为优选，当弹跳特征值符合预设的触球弹跳条件，而弹跳动作为触地反弹动作，如果已开始颠球或已完成一次颠球，则结束颠球计数；如果未开始颠球或未完成一次颠球，则等待下一次弹跳动作发生。
作为优选，当腾空特征值不符合预设的腾空条件，判断是否处于颠球过程，如果已开始颠球或已完成一次颠球，则结束颠球计数；如果未开始颠球或未完成一次颠球，则等待下一次弹跳动作发生。
作为优选，对弹跳特征值中球的加速度进行计算，弹跳特征值具体为：
其中，tst为触球开始时刻，ted为触球结束时刻，di_a(n)、di_a(n-k)分别是加速度a(n)、a(n-k)关于时间t(n)、t(n-k)的i阶导数，分别表示第n次、第n-k次的基于传感器获得的加速度的加速度变化率，t(n)是di_a(n)的发生时刻，t(n-k)是di_a(n-k)的发生时刻；k＝1,2,3，……。
作为优选，加速度a(n)的i阶导数di_a(n)具体为：
作为优选，对加速度变化率进行过滤，当加速度变化率小于预设的变化率阀值时，当前加速度变化率计零，反之为原值。
作为优选，首次触球弹跳条件为Feature(n)大于预设的弹跳阀值，并且腾空后的t(n+i)时刻的加速度变化率均为零，其中，i＝1,2,3，……；当触球使球腾空后，弹跳特征值满足首次触球弹跳条件，则第一次颠球成功并计数。
作为优选，第二次以及第二次以上颠球，后续触球弹跳条件为Feature(n)大于预设的弹跳阀值，并且腾空前的t(n-k-1+i)时刻的加速度变化率均为零，其中，i＝1,2,3，……；当触球使球再次腾空后，弹跳特征值满足后续触球弹跳条件，则后续颠球成功并计数。
作为优选，通过球的角速度判断是否为触地反弹动作，当角速度大于预设的触地阀值时，则颠球成功并计数，反之，为触地反弹动作。
作为优选，如果加速度与角速度只在数据发生变化被获得，则对一定时长内的加速度与角速度进行时间等差变换，得到等间隔时刻的加速度与角速度。
作为优选，加速度a(n)由三轴的加速度分量合成，具体为：
其中，n为传感器第n次发送的数据，ax(n)为基于传感器获得的第n次加速度，ax(n)、ay(n)、az(n)、传感器第n次发送的X轴方向、Y轴方向、Z轴方向的加速度分量；球的加速度以加速度a(n)的平方形式a2(n)＝ax(n)2+ay(n)2+az(n)2存在。
作为优选，角速度g(n)由三轴的角速度分量合成，具体为：
其中，n为传感器第n次发送的数据，gx(n)为基于传感器获得的第n次角速度，gx(n)、gy(n)、gz(n)、传感器第n次发送的X轴方向、Y轴方向、Z轴方向的角速度分量；球的角速度以角速度g(n)的平方形式g2(n)＝gx(n)2+gy(n)2+gz(n)2存在。
本发明的有益效果如下：
本发明所述的方法通过球的加速度与角速度进行颠球计数的修正，通过触球弹跳条件与腾空条件准确统计球发生弹跳动作的次数，并通过排除触地反弹动作来修正弹跳动作的次数，得到准确的颠球次数。
由于传感器只在数据变化时传出数据，造成相邻的两组数据并不是等时差，本发明通过数据校正，使得传感器传出的数据等时差分布，使本发明对颠球的计数更精确。
在对加速度与角速度的运算中，由于开根号运算占用较大的系统资源，本发明将加速度与角速度以平方的形式设置，减少运算占用的系统资源，使颠球计数过程中的计算更实时，结果更准确。
附图说明
图1是本发明的流程图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。
本发明提供一种修正颠球计数误差的方法，基于球的加速度、角速度及空间位置变化，主要步骤为：确定球弹跳动作发生后，计算弹跳特征值，判断弹跳特征值是否符合预设的触球弹跳条件；如果是，并且当前弹跳动作不是触地反弹动作，则计算球的腾空特征值，判断腾空特征值是否符合预设的腾空条件，如果是，则颠球成功并计数。
当弹跳特征值不符合预设的触球弹跳条件，判断是否处于颠球过程，如果已开始颠球或已完成一次颠球，则结束颠球计数；如果未开始颠球或未完成一次颠球，则等待下一次弹跳动作发生。
当弹跳特征值符合预设的触球弹跳条件，而弹跳动作为触地反弹动作，如果已开始颠球或已完成一次颠球，则结束颠球计数；如果未开始颠球或未完成一次颠球，则等待下一次弹跳动作发生。
当腾空特征值不符合预设的腾空条件，判断是否处于颠球过程，如果已开始颠球或已完成一次颠球，则结束颠球计数；如果未开始颠球或未完成一次颠球，则等待下一次弹跳动作发生。
如图1所示，本发明的步骤基本如下：
1)实时接收传感器获得的数据，计算加速度、加速度变化率；
2)当接收的数据达到符合触球弹跳动作的最大时间范围，确定球发生弹跳动作；
3)计算弹跳特征值，判断是否符合预设的触球弹跳条件，如果是，则进入步骤4)，如果否，则进入结束判断步骤；
4)判断当前弹跳动作是否为触地反弹动作，如果是，则进入结束判断步骤，如果否，则进入步骤5)
5)继续实时接收传感器获得的数据，计算加速度、加速度变化率；
6)当接收的数据达到符合球腾空的最大时间范围，进入步骤7)；
7)计算腾空特征值，判断是否符合预设的腾空条件，如果是，则判断颠球成功并计数，如果否，则进入结束判断步骤。
所述的结束判断步骤具体为：判断是否处于颠球过程，如果是，则颠球结束；如果否，则返回步骤1)。
本发明中，球的加速度与角速度由传感器获得，传感器在每一次数据变化中获得7组数据，分别为：ts、ax、ay、az、gx、gy、gz，其中，ts是数据获得的时刻，ax是x轴方向加速度，ay是y轴方向加速度，az是z轴方向加速度，gx是x轴旋转速度，gy是y轴旋转速度，gz是z轴旋转速度。用ts(n)、ax(n)、ay(n)、az(n)、gx(n)、gy(n)、gz(n)表示传感器第n次获得的数据。
由于传感器只在数据变化时传出数据，所以每两组相邻的数据并不是等时差。如果加速度与角速度只在数据发生变化时被获得，为了使本发明对颠球的计数更精确，则对一定时长内的加速度与角速度进行时间等差变换，得到等间隔时刻的加速度与角速度，使得传感器获得的数据呈等时差分布。
具体为：求tn时刻的ax(tn)、ay(tn)、az(tn)、gx(tn)、gy(tn)、gz(tn)值，存在j(任意大于0的正整数)使得ts(j-1)<tn<ts(j)。假设j>2，存在ts(j-2)、ax(j-2)、ay(j-2)、az(j-2)、gx(j-2)、y(j-2)、gz(j-2)、ts(j-1)、ax(j-1)、ay(j-1)、az(j-1)、gx(j-1)、gy(j-1)、gz(j-1)、ts(j)、ax(j)、ay(j)、az(j)、gx(j)、gy(j)、gz(j)。
根据以上值，求出ax(tn)、ay(tn)、az(tn)、gx(tn)、gy(tn)、gz(tn)。
欲求ax(tn)，假设ax参数在[ts(j-2),ts(j)]区间符合二次函数，即函数f(t)＝at2+bt+c，其中，a、b、c为预设的常数。已知ts(j-2)、ts(j-1)、ts(j)、ax(j-2)、ax(j-1)、ax(j)，设tn为0时刻，满足如下等式：
因此，可得
通过以上等式，计算出等时差的ax、ay、az、gx、gy、gz。在颠球计数中，涉及的ax(tn)、ay(tn)、az(tn)、gx(tn)、gy(tn)、gz(tn)均为修正后的数据。
颠球计数过程中涉及的运算如下：
传感器受力后得到的加速度a(n)，由于足球本身转旋，每一个ax、ay、az都在实时变化，加速度a(n)体现着足球总体受力情况，是判断足球状态的主要依据。加速度a(n)由三轴的加速度分量合成，具体为：其中，n为传感器第n次发送的数据，ax(n)为基于传感器获得的第n次加速度，ax(n)、ay(n)、az(n)、传感器第n次发送的X轴方向、Y轴方向、Z轴方向的加速度分量。
本实施例中，为了减少开根号计算也可以把a(n)变成平方形式a2(n)，则a2(n)＝ax(n)2+ay(n)2+az(n)2。
在颠球的过程中，足球会受到身体的外力，足球的加速度a(n)会突然发生变化，利用加速度a(n)的数值变化，检测是否为颠球过程。加速度a(n)关于时间t(n)的i阶导数di_a(n)都可以反应加速度a(n)的变化。颠球时，伴随di_a(n)变大变小过程；球在空中飞行时，di_a(n)趋近于0。
加速度a(n)的i阶导数di_a(n)具体为：
实施时，当采用计算加速度a(n)的1阶导数d_a(n)作为加速度变化率时，
当采用计算加速度a(n)的2阶导数d_a(n)作为加速度变化率时，
为了使颠球计数过程中达到更精确的效果，需要排除不可避免的细微弹跳带来计数误差，本发明中，对加速度变化率进行过滤，当加速度变化率小于预设的变化率阀值时，当前加速度变化率计零，反之为原值，具体为：
其中，δ为预设的加速度变化率的变化率阀值。
弹跳特征值球的加速度进行计算，弹跳特征值具体为：
其中，tst为触球开始时刻，ted为触球结束时刻，di_a(n)、di_a(n-k)分别是加速度a(n)、a(n-k)关于时间t(n)、t(n-k)的i阶导数，分别表示第n次、第n-k次的基于传感器获得的加速度的加速度变化率，t(n)是di_a(n)的发生时刻，t(n-k)是di_a(n-k)的发生时刻；k＝1,2,3，……。
本实施例中，t1为最小触球时间，t2为最大触球时间，采用计算加速度a(n)的1阶导数d_a(n)作为加速度变化率，弹跳特征值Feature(n)为：
本发明对颠球的判断分为首次颠球判断与后续颠球判断。
首次触球弹跳条件为Feature(n)大于预设的弹跳阀值，并且腾空后的t(n+i)时刻的加速度变化率均为零，其中，i＝1,2,3，……；当触球使球腾空后，弹跳特征值满足首次触球弹跳条件，则第一次颠球成功并计数。
本实施例中，判断第一次颠球具体为：开始颠球时，脚触球使球在地面滚动，接着脚背触球使球腾空飞起，然后足球回落进行第二次颠球。在以上过程中，脚背触球使球腾空t(n)时刻，弹跳特征值Feature(n)会突然增大，之后的时刻t(n+1)、t(n+2)、…、t(n+k)中，加速度变化率的值d_a(n+1)、d_a(n+2)、…、d_a(n+k)都为0，其中，t(n+k)-t(n)<t，t为足球最大腾空时间，则满足第一次颠球的首次触球弹跳条件，具体如下：
其中，ε为预设的弹跳阀值。
第二次以及第二次以上颠球，后续触球弹跳条件为Feature(n)大于预设的弹跳阀值，并且腾空前的t(n-k-1+i)时刻的加速度变化率均为零，其中，i＝1,2,3，……；当触球使球再次腾空后，弹跳特征值满足后续触球弹跳条件，则后续颠球成功并计数。
本实施例中，记录第N次(N>1)弹跳，在第N次颠球时，颠球前足球不受任何外力(空气阻力忽略)，之前的时刻t(n-k)、t(n-k+1)、…、t(n-1)中，加速度变化率的值d_a(n-k)、d_a(n-k+1)、…、d_a(n-1)都为0，其中，t(n-1)-t(n-k)<t，t为足球最大腾空时间，则满足第N次颠球的后续触球弹跳条件，具体如下：
其中，ε为预设的弹跳阀值。
由于球落地后弹起也会满足后续触球弹跳条件，因此还需要排除触地反弹动作的情况。经过试验验证，脚触球时会在球面切线方向产生摩擦力，摩擦力会使球旋转；而且在落地弹跳时，地面会给足球旋转方向相反的摩擦力，使足球旋转降低，根据足球旋转速度可以判定足球是脚颠球还是弹地反弹动作。本发明中，通过球的角速度判断是否为触地反弹动作，当角速度大于预设的触地阀值时，则颠球成功并计数，反之，为触地反弹动作。
本实施例中，预设触地阀值μ，如果角速度g(n)＞μ，则判断为颠球成功并计数；如果角速度g(n)＜μ，则判断为弹地反弹动作。
角速度g(n)由三轴的角速度分量合成，具体为：其中，n为传感器第n次发送的数据，gx(n)为基于传感器获得的第n次角速度，gx(n)、gy(n)、gz(n)、传感器第n次发送的X轴方向、Y轴方向、Z轴方向的角速度分量。
本实施例中，为了减少开根号计算也可以把球的角速度以角速度g(n)变成平方形式g2(n)，则g2(n)＝gx(n)2+gy(n)2+gz(n)2。
上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发明的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。
Claims (11)
1.一种修正颠球计数误差的方法，基于球的加速度、角速度及空间位置变化，其特征在于，确定球弹跳动作发生后，计算弹跳特征值，弹跳特征值具体为：
其中，tst为触球开始时刻，ted为触球结束时刻，di_a(n)、di_a(n-k)分别是加速度a(n)、a(n-k)关于时间t(n)、t(n-k)的i阶导数，分别表示第n次、第n-k次的基于传感器获得的加速度的加速度变化率，t(n)是di_a(n)的发生时刻，t(n-k)是di_a(n-k)的发生时刻；k＝1,2,3，……；
预设触地阀值μ，如果角速度g(n)>μ，则判断为颠球成功并计数；如果角速度g(n)<μ，则判断为触地反弹动作；
判断弹跳特征值是否符合预设的触球弹跳条件；如果是，并且当前弹跳动作不是触地反弹动作，则计算球的腾空特征值，判断腾空特征值是否符合预设的腾空条件，如果是，则颠球成功并计数。
2.根据权利要求1所述的修正颠球计数误差的方法，其特征在于，当弹跳特征值不符合预设的触球弹跳条件，判断是否处于颠球过程，如果已开始颠球或已完成一次颠球，则结束颠球计数；如果未开始颠球或未完成一次颠球，则等待下一次弹跳动作发生。
3.根据权利要求1所述的修正颠球计数误差的方法，其特征在于，当弹跳特征值符合预设的触球弹跳条件，而弹跳动作为触地反弹动作，如果已开始颠球或已完成一次颠球，则结束颠球计数；如果未开始颠球或未完成一次颠球，则等待下一次弹跳动作发生。
4.根据权利要求1所述的修正颠球计数误差的方法，其特征在于，当腾空特征值不符合预设的腾空条件，判断是否处于颠球过程，如果已开始颠球或已完成一次颠球，则结束颠球计数；如果未开始颠球或未完成一次颠球，则等待下一次弹跳动作发生。
5.根据权利要求 1所述的修正颠球计数误差的方法，其特征在于，加速度a(n)的i阶导数di_a(n)具体为：
6.根据权利要求 1所述的修正颠球计数误差的方法，其特征在于，对加速度变化率进行过滤，当加速度变化率小于预设的变化率阀值时，当前加速度变化率计零，反之为原值。
7.根据权利要求 1所述的修正颠球计数误差的方法，其特征在于，首次触球弹跳条件为Feature(n)大于预设的弹跳阀值，并且腾空后的t(n+i)时刻的加速度变化率均为零，其中，i＝1,2,3，……；当触球使球腾空后，弹跳特征值满足首次触球弹跳条件，则第一次颠球成功并计数。
8.根据权利要求 7所述的修正颠球计数误差的方法，其特征在于，第二次以及第二次以上颠球，后续触球弹跳条件为Feature(n)大于预设的弹跳阀值，并且腾空前的t(n-k-1+i)时刻的加速度变化率均为零，其中，i＝1,2,3，……；当触球使球再次腾空后，弹跳特征值满足后续触球弹跳条件，则后续颠球成功并计数。
9.根据权利要求 1所述的修正颠球计数误差的方法，其特征在于，如果加速度与角速度只在数据发生变化被获得，则对一定时长内的加速度与角速度进行时间等差变换，得到等间隔时刻的加速度与角速度。
10.根据权利要求 1所述的修正颠球计数误差的方法，其特征在于，加速度a(n)由三轴的加速度分量合成，具体为：其中，a(n)为基于传感器获得的第n次加速度，ax(n)、ay(n)、az(n)为传感器第n次发送的X轴方向、Y轴方向、Z轴方向的加速度分量；球的加速度以加速度a(n)的平方形式a2(n)＝ax(n)2+ay(n)2+az(n)2存在。
11.根据权利要求 1所述的修正颠球计数误差的方法，其特征在于，角速度g(n)由三轴的角速度分量合成，具体为：其中，g(n)为基于传感器获得的第n次角速度，gx(n)、gy(n)、gz(n)为传感器第n次发送的X轴方向、Y轴方向、Z轴方向的角速度分量；球的角速度以角速度g(n)的平方形式g2(n)＝gx(n)2+gy(n)2+gz(n)2存在。
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