一种乒乓球击球点与击球力的实时采集与展示系统技术方案

本发明专利技术公开了一种乒乓球击球点与击球力的实时采集与展示系统，在乒乓球拍上部署32个压力传感器和一个IMU惯导传感器，实时采集球拍的压力变化和姿态变化。为了固定32个压力传感器，设计了与球拍大小一致的PCB板，将32个传感器按照8*5的阵列方式放置，并用胶水将球拍基板，PCB和胶皮粘结在一起。为了获取实时数据，压力传感器与IMU的采样率在200Hz以上。IMU的9轴数据采用AHRS算法处理，获取球拍的空中姿态；32个压力数据用定制的NMS算法处理，快速获取击球点的位置和压力大小。最后通过实时方式展示，给运动员及时反馈球拍的压力分布、球拍姿态、击球点位置和力量大小，这使得乒乓球训练更加生动和直观，交互性也更强，更加容易掌握动作的要领和精髓。本发明专利技术为乒乓球训练提供实时和精准的反馈数据，为运动员科学训练提供参考，使得训练更加具有交互性，提高训练效率。率。

【技术实现步骤摘要】
一种乒乓球击球点与击球力的实时采集与展示系统


[0001]本专利技术属于体育运动训练领域，特别是乒乓球动作实时捕捉与实时展示，为运动人员提供实时反馈的系统。

技术介绍

[0002]薄膜压力传感器的工作原理是将一个薄膜(如Pt
‑
Ir)作为一个弹性元件，将受压力气体(如液体或气体)作为一个外力，对薄膜施加压力；上面固定一个有弹性特性的膜，用于检测受压力气体对薄膜施加的压力；在受压力气体施加压力时，两个膜表面会发生紧密贴合，从而引起一些物理和化学变化。其中，物理变化表现为薄膜的尺寸变化。在变化过程中，由于膜的弹性特性，会产生电容变化，从而产生测量信号。此信号电容变化随压力的变化而变化，从而实现压力的测量。压力传感器在人体测量方面，压力传感器主要用于压力鞋垫和血压测量等。
[0003]关于压力传感器在乒乓球拍上的应用，从公开资料看，与本专利技术相关的有“一种乒乓球练习用球拍及其练习方法”(https：//www.17tex.com/tex/1/11101.html)，但该方法是对球拍的区域进行环状处理，有些类似打靶的环状。本专利技术采用的是压力传感器点阵，更加精确定位乒乓球与球拍的碰撞点位置以及产生的压力大小。
[0004]乒乓球是中国的国球，一项非常有意思的运动项目，但目前乒乓球运动相关的辅助设施并不多，还没有能实时提供球拍与乒乓球的击球点位置以及击球力量的方法或设备。乒乓球的击球点位置以及击球力的大小，对乒乓球训练很重要。如果能实时检测击球点位置和力大小，综合球拍的姿态等信息，对这些信息进行可视化处理并实时展示给运动员，运动员根据这些反馈信息及时调整动作姿态和训练方法，能快速领悟乒乓球各种技巧并迅速提高技能。
[0005]因此，有必要提供一种新的技术方案来解决上述问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是为了解决乒乓球训练中的击球点位置、击球力量大小和球拍姿态采集并实时反馈给运动员的问题，提出一种乒乓球训练过程中的实时数据采集和展示方法，应用该方法并实施一套系统。
[0007]为了达到实时采集和实时展示的目的，本专利技术所采用的技术方案是：
[0008]一种乒乓球击球点与击球力的实时采集与展示系统，包括
[0009]采集电路：在乒乓球拍上放置压力传感器阵列，采集球拍上各个区域的压力分布；在球拍上放置9轴IMU(Inertial Measurement Unit)传感器，采集球拍的姿态。
[0010]采集控制模块：通过行、列方式扫描压力传感器阵列，将压力信号进行放大、滤波和AD转换，并按时序采集9轴IMU的角速度、加速度和地磁信息，并通过无线通信模块发送给上位机软件。
[0011]上位机算法软件：通过AHRS(Attitude and Heading Reference System)算法将9
轴的信息转化为四元数信息，计算球拍的姿态；实时检测压力陈列的压力变化，实时计算球拍的击球点位置和压力大小。
[0012]视频采集模块：为了可视化需要，通过单目相机(或智能手机)对运动员的打球过程进行实时录制，方便后续视频回放与分析。
[0013]数据可视化模块：将采集到的视频，压力陈列各个传感器的压力值，球拍姿态，击球点在球拍的2D坐标和击球力大小进行实时展示。
[0014]本专利技术的采集电路包括以下单元：采用32个压力压力传感器，分为8行5列，球拍顶头的位置是第一行，离球拍手柄最近的位置是第八行。从第一行到第八行的压力传感器数量分别为：1个，3个，5个，5个，5个，5个，5个，3个。具体位置参考附件图2，传感器的编号从S1到S32.为了将这些传感器固定在球拍上，需要制作一个球拍形状的PCB(Printed Circuit Board)，把这些传感器焊接在PCB上，并从PCB上将所有压力传感器的导线引到一个地方集中与采集控制模块连接。安装时，把球拍的胶皮取下，把PCB固定在球拍上，然后再将胶皮覆盖在PCB上，压力传感器在胶皮下面，在乒乓球与胶皮碰撞时，碰撞产生的压力会通过胶皮传输到PCB上的压力传感器，从而实现乒乓球与球拍的碰撞压力测量和碰撞点位置检测。采集电路还包括一个9轴的IMU惯导，可以采用9205或ICM
‑
20948等，对芯片型号不做要求，满足采样率在200Hz以上，有9轴数据的IMU即可。
[0015]本发面的采集控制模块包括以下单元：1)通过2片8选1模拟开关芯片来选择压力传感器，一个8选1模拟开关芯片控制列的选择(本专利技术中只用到5列)，另一个8选1芯片控制行的选择(本专利技术中到了8行)，这两个8选1芯片被采集控制程序控制，通过行扫描和列扫描方式，对压力传感器进行周期扫描。芯片型号可以参考使用CD4051。2)通过模拟前端放大器，将压力信号进行放大，滤波，然后进行ADC转换，将模拟压力信号转化为数字信号。参考采用AD8227芯片做前端放大，参考采用AD7988芯片做ADC模数转换。3)控制单片机负责产生行选择和列选择信号，并将ADC生成的数据采集；同时还需要通过SPI接口采集IMU的9轴数据。并通过无线通信模块发送给上位机。单片机可以采用STM
‑
32系列芯片，也可以采用N32芯片等，无线通信可以采用WIFI，蓝牙或Zigbee。WIFI芯片参考使用ESP
‑
8266模块。
[0016]本专利技术的上位机算法软件包括以下单元：1)AHRS算法，是一种成熟的IMU算法，将9轴数据转化为四元数，也可以转化为欧拉角，由于IMU是固定在乒乓球拍上的，IMU的姿态就代表了球拍的姿态。结合球拍的初始状态，与运动轨迹，可以识别球拍的正手、反手、直拍和横排等击球姿态。2)NMS(Non Maximum Suppression)击球点位置与击球力大小识别算法，NMS的实现步骤如下：
[0017](1)将压力32个传感器的排列成点阵，得到一个8*5的阵列，在图2中规定的传感器位置，用测量得到传感器的真实值填写，图2中没有规定传感器位置的填写0值。
[0018](2)数据扩充，将8*5的阵列扩充为10*7的阵列，即顶上加一行，底下加一行，左边加一列，右边加一列。并按照图3中的灰色框的方法填充扩展单元的值，没有出现在图3的位置的值填写0值。
[0019](3)卷积方法求各个传感器位置的值，只针对图2中的S1到S32这32个位置进行卷积，设Sx所在的行编号为i，列编号为j，则Sx的卷积值计算方法为NewValue
i，j
＝(S
i，j
+S
i，j
‑1+S
i，j+1
+S
i
‑
1，j
+S
i+1，j
)/5
[0020](4)从S1到S32中选择NewValue最大的值，并记录下传感器的编号。如果最大值为
0，表示没有击球动作，不作进一步处理。如果最大值非零，且多个传感器有相同的最大值，则进行连通性处理(如果两个传感器的位置相邻，表示本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种乒乓球击球点与击球力的实时采集与展示系统，在乒乓球拍上部署32个压力传感器和一个IMU惯导传感器，实时采集球拍的压力变化和姿态变化。为了固定32个压力传感器，设计了与球拍大小一致的PCB板，将32个传感器按照8*5的阵列方式放置，并用胶水将球拍基板，PCB和胶皮粘结在一起。为了获取实时数据，压力传感器与IMU的采样率在200Hz以上。IMU的9轴数据采用AHRS算法处理，获取球拍的空中姿态；32个压力数据用定制的NMS算法处理，快速获取击球点的位置和压力大小，最后通过实时方式展示。。2.根据权利要求1所述的压力传感器放置，其特征在于，按照阵列方式放置，8行5列，从第一行到第八行的压力传感器数量分别为：1个，3个，5个，5个，5个，5个，5个，3个。3.根据权利要求1所述的压力传感器与IMU，其特征在于，采样率在200Hz以上，IMU采集9轴数据。4.根据权利要求1所述的定制NMS算法，其特征在于，NMS(Non Maximum Suppression)击球点位置与击球力大小识别算法，NMS的实现步骤如下：(1)将压力32个传感器的排列成点阵，得到一个8*5的阵列，在规定的传感器位置，用测量得到传感器真实值填写，没有规定传感器位置的地方填写0值...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋现新，廖明霞，唐贝贝，
申请(专利权)人：首都体育学院，
类型：发明
国别省市：