射擊射箭運動復(fù)合姿態(tài)參數(shù)獲取系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種射擊射箭運動復(fù)合姿態(tài)參數(shù)獲取系統(tǒng)。包括機器視覺數(shù)據(jù)采集裝置、無線姿態(tài)參數(shù)獲取裝置、同步信號發(fā)送裝置及控制中心。無線姿態(tài)參數(shù)獲取裝置的傳感器模塊包括陀螺儀和加速度傳感器；數(shù)據(jù)處理模塊采用卡爾曼濾波算法平滑數(shù)據(jù)，通過四元數(shù)法計算姿態(tài)角度。本發(fā)明公開的射擊射箭運動復(fù)合姿態(tài)參數(shù)獲取系統(tǒng)具有整體重量輕，便于攜帶、安裝操作簡便，訓(xùn)練成本低，可滿足多樣化射擊射箭訓(xùn)練要求，并可實時記錄數(shù)據(jù)，進行姿態(tài)分析處理，提供量化數(shù)據(jù)信息等優(yōu)點。
【專利說明】射擊射箭運動復(fù)合姿態(tài)參數(shù)獲取系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于射擊射箭輔助訓(xùn)練領(lǐng)域，具體涉及一種射擊射箭運動復(fù)合姿態(tài)參數(shù)獲取系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]射擊射箭項目是奧運比賽的傳統(tǒng)項目，我國射擊射箭項目近幾年已經(jīng)有了長足的進步，在各大比賽中的成績越來越好，但是我國此類項目起步較晚，雖然已經(jīng)有成系統(tǒng)的訓(xùn)練方法及相關(guān)輔助設(shè)施，但大都以定性研究動作為主，且大多不能實時地獲得反饋數(shù)據(jù)，訓(xùn)練效率較低，數(shù)據(jù)往往單一、不夠全面、不成體系。教練員要進一步鞏固和提高我國射擊射箭運動員的技術(shù)和運動成績，需要對該類運動中運動員的身體和器械的相關(guān)運動情況進行深入、定量的研究，有針對性的指導(dǎo)訓(xùn)練實踐，使運動員獲得更好的訓(xùn)練效果。
[0003]在射擊射箭過程中，合理的運動姿勢直接影響著運動員的成績。對于運動員，為提高射擊水平和訓(xùn)練效率，獲取射擊射箭的訓(xùn)練過程中人體與器械的運動參數(shù)，例如舉槍與運槍的過程中的速度、加速度、角度、在射擊過程中手臂的抖動情況、身體主要位置的運動姿勢等，是十分必要的。尤其是在高強度的訓(xùn)練中，運動員要培養(yǎng)射擊射箭的感覺形成肌肉記憶，但是高強度的訓(xùn)練導(dǎo)致運動員身體疲勞，動作走形，從而進入訓(xùn)練周期的低潮期。以往，運動員是依靠反復(fù)訓(xùn)練來找到最佳的射擊射箭感覺，往往浪費了很多時間和精力也達不到訓(xùn)練要求。另外，目前教練員與運動員在研究射擊射箭過程中運動員身體或器械時多采用觀看訓(xùn)練或比賽錄像的方法，這種方法有時使用起來十分不方便，而且缺乏經(jīng)驗的教練員與運動員難以發(fā)現(xiàn)各個動作中細微的差別，對于高水平運動員作用就更加有限；此時運動員就需要一定的輔助設(shè)施來記錄自己身體的各個部位及所持器械的運動姿態(tài)并進行定量分析，找出不足的地方加強訓(xùn)練從而有針對性的來調(diào)整自身的運動姿態(tài)。
[0004]本發(fā)明就上述問題，通過實時獲取運動員的姿態(tài)數(shù)據(jù)，分析其運動特征，為教練員的訓(xùn)練提供科學(xué)依據(jù)；同時找出造成運動員脫靶的原因，給運動員和教練員最直接的證據(jù)，對動作及時加以改進，使其技術(shù)水平和運動成績不斷提高，提高訓(xùn)練的科學(xué)化程度，以達到節(jié)約訓(xùn)練經(jīng)費，提高射擊技能的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明力圖為教練員研究射擊射箭技術(shù)開拓一種新的方法，提出一種射擊射箭運動復(fù)合姿態(tài)參數(shù)獲取系統(tǒng)，針對運動員射擊射箭訓(xùn)練的需要，在射擊射箭運動員比賽或訓(xùn)練中記錄并分析運動員身體主要位置和所持器械的相關(guān)運動姿態(tài)，實時的給出分析后的量化結(jié)果，提高運動員的訓(xùn)練效率及效果。具有整體重量輕，便于攜帶、安裝操作簡便，訓(xùn)練成本低，可滿足多樣化射擊射箭訓(xùn)練要求，并可實時記錄數(shù)據(jù)，進行姿態(tài)分析處理，提供量化數(shù)據(jù)信息等優(yōu)點。為了實現(xiàn)上述本發(fā)明的目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0006]射擊射箭運動復(fù)合姿態(tài)參數(shù)獲取系統(tǒng)，包括機器視覺數(shù)據(jù)采集裝置、無線姿態(tài)參數(shù)獲取裝置、同步信號發(fā)送裝置及控制中心，機器視覺數(shù)據(jù)采集裝置包括數(shù)據(jù)獲取裝置、A觸發(fā)模塊及數(shù)據(jù)傳輸模塊，數(shù)據(jù)獲取裝置為一個高速攝像機；無線姿態(tài)參數(shù)獲取裝置包括傳感器模塊、A微控制器、存儲模塊及A無線收發(fā)模塊；同步信號發(fā)送裝置包括B無線收發(fā)模塊，B觸發(fā)模塊，及B微控制器；控制中心包括中央控制模塊、語音信號檢測模塊、數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、同步信號接收模塊及數(shù)據(jù)處理模塊機器視覺數(shù)據(jù)采集裝置主要負責(zé)運動員身體主要位置運動姿態(tài)的采集，無線姿態(tài)參數(shù)獲取裝置主要負責(zé)運動員所持器械運動姿態(tài)的采集，其特征在于:無線姿態(tài)參數(shù)獲取裝置的傳感器模塊包括陀螺儀和加速度傳感器；數(shù)據(jù)處理模塊采用卡爾曼濾波算法平滑數(shù)據(jù)，通過四元數(shù)法計算姿態(tài)角度。
[0007]所述的傳感器模塊采用灌封技術(shù)使用環(huán)氧樹脂包裹。
[0008]所述的傳感器模塊連續(xù)獲取200次數(shù)據(jù)，并取這些數(shù)據(jù)的平均值，作為當(dāng)前環(huán)境下的誤差補償代入數(shù)據(jù)處理的計算中。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明系統(tǒng)組成框圖；
[0010]圖2是本發(fā)明較佳實施方式示意圖；
[0011]圖3是本發(fā)明系統(tǒng)工作流程圖。
【具體實施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖及較佳實施方式對本發(fā)明做進一步描述:
[0013]如圖1-2所示，射擊射箭運動復(fù)合姿態(tài)參數(shù)獲取系統(tǒng)，包括機器視覺數(shù)據(jù)采集裝置10、無線姿態(tài)參數(shù)獲取裝置20、同步信號發(fā)送裝置30及控制中心40。機器視覺數(shù)據(jù)采集裝置包括數(shù)據(jù)獲取裝置、A觸發(fā)模塊及數(shù)據(jù)傳輸模塊，數(shù)據(jù)獲取裝置為一個高速攝像機；無線姿態(tài)參數(shù)獲取裝置包括傳感器模塊、A微控制器、存儲模塊及A無線收發(fā)模塊，傳感器模塊又包括陀螺儀和加速度傳感器；同步信號發(fā)送裝置包括B無線收發(fā)模塊，B觸發(fā)模塊，及B微控制器；控制中心包括中央控制模塊、語音信號檢測模塊、數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、同步信號接收模塊及數(shù)據(jù)處理模塊。
[0014]運動員手持射擊或射箭器械，無線姿態(tài)參數(shù)獲取裝置安裝在射擊或射箭器械上；機器視覺數(shù)據(jù)采集裝置中的數(shù)據(jù)獲取裝置置于運動員的正前方；控制中心放置于運動員的右側(cè)；所述的機器視覺數(shù)據(jù)采集裝置采集運動員所持射擊或射箭器械在射擊過程中的相關(guān)運動參數(shù)，并將其發(fā)送到控制中心；控制中心對接收到的圖像數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，判定是否擊中目標(biāo)。
[0015]其中:所述機器視覺數(shù)據(jù)采集裝置用以采集運動員身體主要位置的運動參數(shù)，所述無線姿態(tài)參數(shù)獲取裝置用以采集運動員所持器械的運動姿態(tài)。
[0016]所述機器視覺數(shù)據(jù)采集裝置包括數(shù)據(jù)獲取裝置、A觸發(fā)模塊及數(shù)據(jù)傳輸模塊，用于記錄訓(xùn)練過程中運動員身體主要位置的運動姿態(tài)。所述觸發(fā)模塊根據(jù)接收到的來自所述控制中心的啟動信號然后所述數(shù)據(jù)獲取模塊開始采集數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)傳輸模塊輸出到控制中心。本實施方式中，所述數(shù)據(jù)獲取模塊包括一個高速攝像機此高速攝像機置于運動員的正前方。
[0017]所述無線姿態(tài)參數(shù)獲取裝置包括傳感器模塊、A微控制器、存儲模塊及A無線收發(fā)模塊，用于獲取運動員在飛碟訓(xùn)練過程中射擊槍槍體或弓身整體的運動參數(shù)。所述A微控制器用于控制所述的傳感器模塊、A無線收發(fā)模塊及存儲模塊；所述的存儲模塊用于暫存?zhèn)鞲衅髂K采集到的數(shù)據(jù)，A無線收發(fā)模塊用于將所述的存儲模塊中的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。所述的無線姿態(tài)參數(shù)獲取裝置安裝在射擊槍或比賽、訓(xùn)練用的弓箭上。
[0018]所述同步信號發(fā)送裝置包括B無線收發(fā)模塊，B觸發(fā)模塊，及B微控制器，用于向控制中心發(fā)送同步信號以確定數(shù)據(jù)采集終點。所述的B微控制器用于控制所述的B無線收發(fā)模塊及訴述的B觸發(fā)模塊；所述的B觸發(fā)模塊用于檢測運動員是否發(fā)出射擊或射箭動作；所述的B無線收發(fā)模塊用于發(fā)送同步信號。所述的同步信號發(fā)送裝置安裝在射擊槍或比賽、訓(xùn)練用的弓箭上。
[0019]所述控制中心包括中央控制模塊、語音采集模塊、數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、同步信號接收模塊及數(shù)據(jù)處理模塊，中心控制模塊是整個系統(tǒng)的核心，用于控制機器視覺數(shù)據(jù)采集裝置及無線姿態(tài)參數(shù)獲取裝置的工作，其數(shù)據(jù)收發(fā)模塊接收所述的機器視覺數(shù)據(jù)采集裝置及無線姿態(tài)參數(shù)獲取裝置發(fā)送來的數(shù)據(jù)并發(fā)送給數(shù)據(jù)處理模塊，同步信號接收模塊接收所述的同步信號發(fā)送裝置發(fā)送來的同步信號并控制所述的機器視覺數(shù)據(jù)采集裝置及所述的無線姿態(tài)參數(shù)獲取裝置開始采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理模塊處理所述的數(shù)據(jù)收發(fā)模塊接收回來的數(shù)據(jù)并將處理好的結(jié)果返回到控制中心儲存下來以便回查。控制中心放置于運動員的右側(cè)。
[0020]運動員身體主要位置包括:頭部，肩部，腰部以及雙臂；所述的所持器械的運動姿態(tài)參數(shù)包括:射擊過程中槍體或弓身的角速度，線加速度，角加速度、運行過的角度以及過程中的震動量。
[0021]如圖2所示，運動員站在本系統(tǒng)的中心位置，所述機器視覺數(shù)據(jù)采集裝置中高速攝像機正對運動員，用于記錄運動員在射擊過程中的身體主要位置的運動姿勢；控制中心放置于運動員右側(cè)，運動員先發(fā)出“開始”語音信號控制中心接收到開始命令后控制所述的機器視覺數(shù)據(jù)采集裝置與所述的無線姿態(tài)參數(shù)獲取裝置開始采集姿態(tài)信息并發(fā)送到控制中心，然后根據(jù)自己的意愿隨時扣動扳機進行射擊，當(dāng)運動員扣動扳機的同時，所述的同步觸發(fā)模塊產(chǎn)生同步信號，并發(fā)送給控制中心，控制中心接到同步信號后控制所述機器視覺數(shù)據(jù)采集裝置停止采集圖像數(shù)據(jù)并控制所述無線姿態(tài)參數(shù)獲取裝置停止采集姿態(tài)數(shù)據(jù)，控制中心接收到數(shù)據(jù)后進行圖像處理與姿態(tài)參數(shù)計算，分析出運動員身體主要位置運動軌跡及射機槍或弓的射擊過程中的相關(guān)姿態(tài)參數(shù)及震動情況然后反饋回控制中心，控制中心的數(shù)據(jù)處理模塊繪制出身體主要位置的位置變化曲線與所持器械的角速度、加速度、震動等姿態(tài)參數(shù)變化曲線，當(dāng)檢測到“繼續(xù)”命令后，刷新界面重新開始。
[0022]本發(fā)明是針對奧運會射擊射箭類訓(xùn)練項目專門設(shè)計發(fā)明的。
[0023]如圖3所示，本發(fā)明系統(tǒng)采用以下工作流程:
[0024]I)系統(tǒng)初始化
[0025]開啟系統(tǒng)后，系統(tǒng)各組成部分上電并進行初始化，測試是否存在異常，若無異常則進入等待狀態(tài)；若發(fā)現(xiàn)異常則重啟系統(tǒng)；
[0026]2)檢測有效開始信號
[0027]系統(tǒng)初始化結(jié)束進入等待狀態(tài)，控制中心接收運動員發(fā)出的“開始”信號，并將該語音信號發(fā)送給所述的機器視覺數(shù)據(jù)采集裝置及無線姿態(tài)參數(shù)獲取裝置；
[0028]3)機器視覺與姿態(tài)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集
[0029]當(dāng)所述的機器視覺數(shù)據(jù)采集裝置及無線姿態(tài)參數(shù)獲取裝置接收到控制中心發(fā)送的“開始”語音信號后，所述的機器視覺數(shù)據(jù)采集裝置開始采集運動員身體主要位置的姿態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送給控制中心，同時所述的無線姿態(tài)參數(shù)獲取裝置開始采集射擊槍體或弓的姿態(tài)參數(shù)；運動員扣動扳機或放開弓弦的同時所述同步信號發(fā)送裝置中的B觸發(fā)模塊觸發(fā)，所述同步信號發(fā)送裝置向控制中心發(fā)送同步信號，控制中心接收到同步信號后控制所述的機器視覺數(shù)據(jù)采集裝置及無線姿態(tài)參數(shù)獲取裝置停止數(shù)據(jù)采集；
[0030]4)數(shù)據(jù)處理
[0031]控制中心接收到所述的機器視覺數(shù)據(jù)采集裝置及無線姿態(tài)參數(shù)獲取裝置傳回的數(shù)據(jù)后，對所述的機器視覺數(shù)據(jù)采集裝置采集的視頻數(shù)據(jù)進行圖像處理并分析，所述的無線姿態(tài)參數(shù)獲取裝置采集的姿態(tài)數(shù)據(jù)，將處理后的量化數(shù)據(jù)繪制成對應(yīng)的曲線圖，以方便教練員和運動員查看，數(shù)據(jù)處理時采用卡爾曼濾波算法進行平滑數(shù)據(jù)處理，并通過四元數(shù)法計算姿態(tài)角度。
[0032](I)卡爾曼濾波算法[0033]傳感器模塊直接獲取到的數(shù)據(jù)均帶有積分累計誤差，需要對其進行預(yù)處理來消除這種誤差，將傳感器模塊測量過程看做一個線性時變系統(tǒng)，設(shè)線性時變系統(tǒng)的離散狀態(tài)方程為:
[0034]X (k) =F(k，k_l).X (k_l)+T (k, k_l).U (k~l)
[0035]線性時變系統(tǒng)觀測方程為
[0036]Y (k) =H (k).X (k) +N (k)
[0037]其中，X(k)和Y(k)分別是k時刻的狀態(tài)矢量和觀測矢量；F(k，k_l)為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；U(k)為k時刻動態(tài)噪聲；T(k，k-1)為系統(tǒng)控制矩陣；H(k)為k時刻觀測矩陣；N(k)為k時刻觀測噪聲。
[0038]則卡爾曼濾波的算法流程為:
[0039](a)預(yù)估計 X(k)" =F (k, k~l).X(k_l)
[0040](b)計算預(yù)估計協(xié)方差矩陣
[0041 ] c (k)~ = F (k, k-1) X C (k) X F (k, k-1) ’ +T (k, k-1) X Q (k) X T (k, k-1) ’
[0042]Q(k) = U(k) XU(k)，
[0043](c)計算卡爾曼增益矩陣
[0044]K(k) = C(k)~XH(k)’ X [H(k) XC(k)~XH(k)’+R(k)r(-l)
[0045]R (k) =N (k) X N (k)，
[0046](d)更新估計
[0047]X (k)~=X (k) ~ +K (k) X [Y (k) -H (k) X X (k) ?
[0048](e)計算更新后估計協(xié)防差矩陣
[0049]C(k)~=[1-K(k)XH(k)]XC(krX[I_K(k)XH(k)]’+K(k)XR(k)XK(k)’
[0050](f) X (k+1) = X(k)~
[0051]C (k+1) = C(k)~
[0052]重復(fù)以上步驟。
[0053](2)四元數(shù)法
[0054]四元數(shù)是由I個實數(shù)單位I和3個虛數(shù)單位i，j ?組成的包含4個實元的超復(fù)數(shù)。若將?，]，i視為基矢量，則可以把四元數(shù)分為標(biāo)量和矢量兩部分組成。其形式為:
[0055]Q = q0+gii +g2j +g3k = g0+g(I)
[0056]且d + + d + d =1，其中q0為標(biāo)量，奪為矢量。
[0057]引入四元數(shù)后，則方向余弦矩陣可由四元數(shù)表示為
【權(quán)利要求】
1.射擊射箭運動復(fù)合姿態(tài)參數(shù)獲取系統(tǒng)，包括機器視覺數(shù)據(jù)采集裝置、無線姿態(tài)參數(shù)獲取裝置、同步信號發(fā)送裝置及控制中心；其中: 機器視覺數(shù)據(jù)采集裝置包括數(shù)據(jù)獲取裝置、A觸發(fā)模塊及數(shù)據(jù)傳輸模塊，所述的數(shù)據(jù)獲取裝置為一個高速攝像機； 無線姿態(tài)參數(shù)獲取裝置包括傳感器模塊、A微控制器、存儲模塊及A無線收發(fā)模塊； 同步信號發(fā)送裝置包括B無線收發(fā)模塊，B觸發(fā)模塊，及B微控制器； 控制中心包括中央控制模塊、語音信號檢測模塊、數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、同步信號接收模塊及數(shù)據(jù)處理模塊； 機器視覺數(shù)據(jù)采集裝置主要負責(zé)運動員身體主要位置運動姿態(tài)的采集，無線姿態(tài)參數(shù)獲取裝置主要負責(zé)運動員所持器械運動姿態(tài)的采集； 運動員手持射擊或射箭器械，無線姿態(tài)參數(shù)獲取裝置安裝在射擊或射箭器械上；機器視覺數(shù)據(jù)采集裝置中的數(shù)據(jù)獲取裝置置于運動員的正前方；控制中心放置于運動員的右偵h所述的機器視覺數(shù)據(jù)采集裝置采集運動員所持射擊或射箭器械在射擊過程中身體主要位置的相關(guān)運動參數(shù)，并將其發(fā)送到控制中心，所述無線姿態(tài)參數(shù)獲取裝置用以采集運動員所持器械的運動姿態(tài)；控制中心對接收到的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，判定是否擊中目標(biāo)； 其特征在于:無線姿態(tài)參數(shù)獲取裝置的傳感器模塊包括陀螺儀和加速度傳感器；所述的數(shù)據(jù)處理模塊的數(shù)據(jù)處理采用卡爾曼濾波算法進行平滑數(shù)據(jù)處理，并通過四元數(shù)法計算姿態(tài)角度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的射擊射箭運動復(fù)合姿態(tài)參數(shù)獲取系統(tǒng)，其特征在于:所述的傳感器模塊采用灌封技術(shù)使用環(huán)氧樹脂包裹。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的射擊射箭運動復(fù)合姿態(tài)參數(shù)獲取系統(tǒng)，其特征在于:所述的傳感器模塊連續(xù)獲取200次數(shù)據(jù)，并取這些數(shù)據(jù)的平均值，作為當(dāng)前環(huán)境下的誤差補償代入數(shù)據(jù)處理的計算中。
【文檔編號】G01C21/10GK103940422SQ201410194128
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年5月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月8日
【發(fā)明者】趙英亮, 王黎明, 李潤汀, 郭亞麗, 王飛, 劉曉榮, 崔亞琳, 朱裕莎, 馮思奇 申請人:中北大學(xué)