一种羽毛球拍空间定位系统及方法

技术领域

本发明涉及智能感知领域，特别是涉及一种羽毛球拍空间定位系统及方法。

背景技术

随着全民健身热潮的兴起，羽毛球获得了越来越多人的喜爱，对羽毛球运动的初学者而言，动作的标准性关系到后期球技的发展，能否打好球，与击球动作息息相关。目前训练击球动作主要依靠个人多次重复训练，寻找球感，从反复多次的击球动作中找到击球的感觉以提升球技。但是这种单纯的重复训练方法通常需要借助于教练的教授，并且耗时较长。一些产品在网球拍或羽毛球拍的底部加装传感器，在手机端应用程序中可以分析每次挥拍的速度，但并不能检测的网球拍的位置，并且也没有针对羽毛球拍进行定位的产品。因此，目前的羽毛球拍不具备自动定位、检测运动轨迹的功能，导致训练效果不佳。

发明内容

本发明的目的是提供一种羽毛球拍空间定位系统及方法，可同时检测挥拍速度及羽毛球拍的空间位置，并提高定位精度。

为实现上述目的，本发明提供了一种羽毛球拍空间定位系统，包括：

羽毛球拍定位电路板系统，设置在羽毛球拍上，包括三轴加速度计、六轴加速度计、数据传输模块、电源及电源控制模块；所述三轴加速度计设置在羽毛球拍的手柄中间位置，所述三轴加速度计用于实时采集羽毛球拍手柄中间位置的三轴加速度；所述六轴加速度计设置在羽毛球拍的底座上，所述六轴加速度计用于实时采集羽毛球拍底座的三轴加速度及三轴角加速度；所述数据传输模块用于将所述三轴加速度计实时采集的三轴加速度、所述六轴加速度计实时采集的三轴加速度及三轴角加速度发送至计算服务器；所述电源通过所述电源控制模块分别与所述三轴加速度计、所述六轴加速度计及所述数据传输模块连接；

摄像头，用于采集包含所述羽毛球拍及持拍人员的目标图像；

计算服务器，分别与所述数据传输模块及所述摄像头连接，用于根据所述摄像头采集的目标图像、所述三轴加速度计实时采集的三轴加速度、所述六轴加速度计实时采集的三轴加速度及三轴角加速度，实时计算所述羽毛球拍的空间位置。

可选地，所述数据传输模块为蓝牙传输模块。

可选地，所述计算服务器包括：

幅度计算模块，与所述数据传输模块连接，用于在动作保持阶段，根据所述三轴加速度计实时采集的三轴加速度、所述六轴加速度计实时采集的三轴加速度及三轴角加速度，计算各时刻所述羽毛球拍的动作幅度；

起始时刻确定模块，与所述幅度计算模块连接，用于将所述羽毛球拍的动作幅度小于设定幅度阈值时的时刻作为定位起始时刻；

初始位置确定模块，分别与所述起始时刻确定模块及所述摄像头连接，用于根据所述摄像头在所述定位起始时刻采集的目标图像及所述羽毛球拍的真实长度，确定所述羽毛球拍的初始空间位置；

变化量确定模块，与所述数据传输模块连接，用于针对所述定位起始时刻后的任一定位时刻，根据所述三轴加速度计在所述定位起始时刻至所述定位时刻内各时刻采集的三轴加速度、所述六轴加速度计在所述定位起始时刻至所述定位时刻内各时刻采集的三轴加速度及三轴角加速度，确定所述羽毛球拍在所述定位时刻的空间位置变化量；

定位模块，分别与所述初始位置确定模块及所述变化量确定模块连接，用于根据所述羽毛球拍在所述定位时刻的空间位置变化量及所述羽毛球拍的初始空间位置，确定所述羽毛球拍在所述定位时刻的空间位置，以对所述羽毛球拍进行实时定位。

可选地，所述幅度计算模块采用以下公式计算t时刻所述羽毛球拍的动作幅度：

其中，d

可选地，所述初始位置确定模块包括：

图像处理子模块，分别与所述起始时刻确定模块及所述摄像头连接，用于根据所述摄像头在所述定位起始时刻采集的目标图像，确定所述持拍人员的骨骼关键点、所述羽毛球拍在所述目标图像中的长度以及所述持拍人员持拍的肩部与对应踝关节间的像素距离；将所述持拍人员的左踝关节与右踝关节的中点作为三维坐标系的原点；

真实高度计算子模块，与所述图像处理子模块连接，用于根据所述羽毛球拍的真实长度、所述羽毛球拍在所述目标图像中的长度以及所述持拍人员持拍的肩部与对应踝关节间的像素距离，采用公式

位置确定子模块，分别与所述图像处理子模块及所述真实高度计算子模块连接，用于根据所述羽毛球拍在所述目标图像中的位置、所述羽毛球拍的真实高度及所述三维坐标系的原点，确定所述羽毛球拍的初始空间位置。

可选地，所述变化量确定模块采用以下公式确定所述羽毛球拍在t

其中，x

为实现上述目的，本发明还提供了一种羽毛球拍空间定位方法，包括：

通过三轴加速度计实时采集羽毛球拍手柄中间位置的三轴加速度，通过六轴加速度计实时采集羽毛球拍底座的三轴加速度及三轴角加速度；

通过摄像头采集包含所述羽毛球拍及持拍人员的目标图像；

根据所述目标图像、所述三轴加速度计实时采集的三轴加速度、所述六轴加速度计实时采集的三轴加速度及三轴角加速度，实时计算所述羽毛球拍的空间位置。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明通过设置在羽毛球拍上的三轴加速度计和六轴加速度计能够检测挥拍速度，同时，结合两个加速度计采集的数据以及摄像头采集的目标图像，能够实时准确计算羽毛球拍的空间位置，提高了羽毛球拍的定位精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的羽毛球拍空间定位系统的框图；

图2为加速度计的位置示意图；

图3为羽毛球拍关键点的示意图；

图4为数据传输方式的示意图；

图5为目标图像中羽毛球拍羽持拍人员的示意图；

图6为本发明提供的羽毛球拍空间定位方法的流程图。

符号说明：1-羽毛球拍定位电路板系统，2-摄像头，3-计算服务器，4-三轴加速度计，5-六轴加速度计，6-数据传输模块，7-电源，8-电源控制模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种羽毛球拍空间定位系统及方法，通过在羽毛球拍的底座上设置六轴加速度计，在羽毛球拍的中部设置三轴加速度计，结合摄像头采集的图像，能够同时计算挥拍速度和空间位置，并提高羽毛球拍的定位的精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供的羽毛球拍空间定位系统包括：羽毛球拍定位电路板系统1、摄像头2及计算服务器3。羽毛球拍定位电路板系统1设置在羽毛球拍上，羽毛球拍定位电路板系统1包括三轴加速度计4、六轴加速度计5、数据传输模块6、电源7及电源控制模块8。

所述电源7通过所述电源控制模块8分别与所述三轴加速度计4、所述六轴加速度计5及所述数据传输模块6连接。电源7在电源控制模块8的控制下向三轴加速度计4、六轴加速度计5及数据传输模块6供电。

如图2所示，三轴加速度计4设置在羽毛球拍的手柄中间位置，三轴加速度计4用于实时采集羽毛球拍手柄中间位置的三轴加速度(x轴加速度、y轴加速度、z轴加速度)。

六轴加速度计5设置在所述羽毛球拍的底座上，六轴加速度计5用于实时采集羽毛球拍底座的三轴加速度(x轴加速度、y轴加速度、z轴加速度)及三轴角加速度(x轴角加速度、y轴角加速度、z轴角加速度)。

三轴加速度计4和六轴加速度计5的时钟同步，因此可以实现同时记录某一个时刻2个加速度计的9个数值。随着时间推移，某一个后续时刻，三轴加速度计4和六轴加速度计5的实际状态是前面所有时刻对应值的累加。

如图3所示，三轴加速度计4设置在C点位置，六轴加速度计5设置在D点位置(底座)，A点是羽毛球拍的顶部，B点是羽毛球拍拍网的下沿，T点是羽毛球拍拍网的中心，H点为持拍人员的持拍位置。羽毛球拍的AB、BD、BC、CD的长度都是固定和已知的。H点的位置可以通过基于深度学习的人体骨骼关键点估计算法获取摄像头2采集的目标图像中的人手位置。

本发明使用的二维、三维人体人体骨骼关键点检测算法均采用开源算法。算法可以随着公开的算法进行更新，但都包含其中的12个人体骨骼关键点：左肩、右肩、左肘、右肘、左手腕、右手腕、左髋、右髋、左膝、右膝、左踝和右踝。

三轴加速度计4通过柔性电路板与六轴加速度计5连接，六轴加速度计5与数据传输模块6连接，三轴加速度计4将采集的三轴加速度发送至六轴加速度计5，再传输至数据传输模块6。柔性电路板可以设置在羽毛球拍的手胶下。数据传输模块6设置在羽毛球拍的底座上，数据传输模块6用于将所述三轴加速度计4实时采集的三轴加速度、所述六轴加速度计5实时采集的三轴加速度及三轴角加速度发送至计算服务器3。

作为一种具体的实施方式，数据传输模块6为蓝牙传输模块。如图4所示，羽毛球拍通过蓝牙将三轴加速度计4和六轴加速度计5采集的数据和/或控制(通讯)信号传输到计算服务器3。计算服务器3也可以向羽毛球拍上的各设备发送控制信号，以控制羽毛球拍上各设备的运行状态。

摄像头2用于采集包含所述羽毛球拍及持拍人员的目标图像。摄像头2为普通摄像头，通过usb采集图像，并传到计算服务器3。摄像头2放在能拍到持拍人员和羽毛球拍的位置即可。摄像头2也可以是计算服务器3自带的摄像头。

计算服务器3分别与所述数据传输模块6及所述摄像头2连接，计算服务器3用于根据所述摄像头2采集的目标图像、所述三轴加速度计4实时采集的三轴加速度、所述六轴加速度计5实时采集的三轴加速度及三轴角加速度，实时计算所述羽毛球拍的空间位置。

此外，羽毛球拍的底座上还可以设置指示灯和天线等。

本发明中，除摄像头2和计算服务器3，其它设备均设置在羽毛球拍上，且除三轴加速度计4，其它设备均设置在羽毛球拍的底座上。

进一步地，所述计算服务器3包括：幅度计算模块、起始时刻确定模块、初始位置确定模块、变化量确定模块及定位模块。

其中，幅度计算模块与所述数据传输模块6连接，幅度计算模块用于在动作保持阶段，根据所述三轴加速度计4实时采集的三轴加速度、所述六轴加速度计5实时采集的三轴加速度及三轴角加速度，计算各时刻所述羽毛球拍的动作幅度。

具体地，所述幅度计算模块采用以下公式计算t时刻所述羽毛球拍的动作幅度：

其中，d

第1个变量为三轴加速度计4采集的x轴加速度，第2个变量为三轴加速度计4采集的y轴加速度，第3个变量为三轴加速度计4采集的z轴加速度，第4个变量为六轴加速度计5采集的x轴加速度，第5个变量为六轴加速度计5采集的y轴加速度，第6个变量为六轴加速度计5采集的z轴加速度，第7个变量为六轴加速度计5采集的x轴角加速度，第8个变量为六轴加速度计5采集的y轴角加速度，第9个变量为六轴加速度计5采集的z轴角加速度。

起始时刻确定模块与所述幅度计算模块连接，起始时刻确定模块用于将所述羽毛球拍的动作幅度小于设定幅度阈值时的时刻作为定位起始时刻。

初始位置确定模块分别与所述起始时刻确定模块及所述摄像头2连接，初始位置确定模块用于根据所述摄像头2在所述定位起始时刻采集的目标图像及所述羽毛球拍的真实长度，确定所述羽毛球拍的初始空间位置。

具体地，所述初始位置确定模块包括：图像处理子模块、真实高度计算子模块及位置确定子模块。

图像处理子模块分别与所述起始时刻确定模块及所述摄像头2连接，图像处理子模块用于根据所述摄像头2在所述定位起始时刻采集的目标图像，确定所述持拍人员的骨骼关键点、所述羽毛球拍在所述目标图像中的长度以及所述持拍人员持拍的肩部与对应踝关节间的像素距离。将所述持拍人员的左踝关节与右踝关节的中点作为三维坐标系的原点。

真实高度计算子模块与所述图像处理子模块连接，真实高度计算子模块用于根据所述羽毛球拍的真实长度、所述羽毛球拍在所述目标图像中的长度以及所述持拍人员持拍的肩部与对应踝关节间的像素距离，采用公式

位置确定子模块分别与所述图像处理子模块及所述真实高度计算子模块连接，位置确定子模块用于根据所述羽毛球拍在所述目标图像中的位置、所述羽毛球拍的真实高度及所述三维坐标系的原点，确定所述羽毛球拍的初始空间位置。

变化量确定模块与所述数据传输模块6连接，变化量确定模块用于针对所述定位起始时刻后的任一定位时刻，根据所述三轴加速度计4在所述定位起始时刻至所述定位时刻内各时刻采集的三轴加速度、所述六轴加速度计5在所述定位起始时刻至所述定位时刻内各时刻采集的三轴加速度及三轴角加速度，确定所述羽毛球拍在所述定位时刻的空间位置变化量。

具体地，所述变化量确定模块采用以下公式确定所述羽毛球拍在t

其中，x

定位模块分别与所述初始位置确定模块及所述变化量确定模块连接，定位模块用于根据所述羽毛球拍在所述定位时刻的空间位置变化量及所述羽毛球拍的初始空间位置，确定所述羽毛球拍在所述定位时刻的空间位置，以对所述羽毛球拍进行实时定位。

本发明采用羽毛球拍的手柄中间位置以及底座的空间位置表征羽毛球拍的空间位置。

本发明提供的羽毛球拍空间定位系统的使用步骤为：

(1)开启羽毛球拍的电源7以及计算服务器3，建立蓝牙连接。

(2)按照语音提示，完成提示动作，静止2秒。

具体地，持拍人员直立站立，根据计算服务器3的语音提示，持拍手臂伸直，持拍侧的肩、肘、手腕、羽毛球拍的C点、D点在一条直线上，并成水平状态，羽毛球拍的拍面与地面垂直，根据语音提示保持动作2秒。

(3)收集羽毛球拍上三轴加速度计4和六轴加速度计5采集的数据，通过摄像头2拍摄图像。具体地，计算服务器3接收羽毛球拍通过蓝牙传输的此段时间内的三轴加速度计4和六轴加速度计5采集的数据，同时通过摄像头2采集此时的持拍人员和羽毛球拍的图像。

(4)计算羽毛球拍的初始空间位置。

具体地，计算服务器3首先采用一维高斯滤波对三轴加速度计4采集的三轴加速度、六轴加速度计5采集的三轴加速度及三轴角加速度进行平滑处理。

然后分别对平滑后的数据计算动作保持阶段内的均值，计算羽毛球拍的动作幅度，如果总体上羽毛球拍保持稳定，此时羽毛球拍的动作幅度接近0，则动作幅度最小时的时间即为动作较为稳定的时刻，获取此时的目标图像。

之后采用物体分割算法从目标图像中确定羽毛球拍的轮廓，并计算羽毛球拍在目标图像中的长度d

定义此时刻三维人体骨骼点的左右踝关节的中点为世界坐标系的原点(0,0,0)。

进一步，采用等比例关系原理计算出此时三维人体骨骼点、羽毛球拍各关键点(A点、B点、C点、D点)的空间坐标。使用三轴加速度计4和六轴加速度计5在定位起始时刻的空间坐标表示羽毛球拍的初始空间位置。

(5)根据羽毛球拍上三轴加速度计4和六轴加速度计5采集的数据，更新后续羽毛球拍的空间位置变化量，完成羽毛球拍的实时空间定位。

进一步地，如图6所示，本发明基于上述的羽毛球拍空间定位系统，还提供了一种羽毛球拍空间定位方法，包括：

S1：通过三轴加速度计实时采集羽毛球拍手柄中间位置的三轴加速度，通过六轴加速度计实时采集羽毛球拍底座的三轴加速度及三轴角加速度。

S2：通过摄像头采集包含所述羽毛球拍及持拍人员的目标图像。

S3：根据所述目标图像、所述三轴加速度计实时采集的三轴加速度、所述六轴加速度计实时采集的三轴加速度及三轴角加速度，实时计算所述羽毛球拍的空间位置。

具体地，S3包括：

S31：在动作保持阶段，根据所述三轴加速度计实时采集的三轴加速度、所述六轴加速度计实时采集的三轴加速度及三轴角加速度，计算各时刻所述羽毛球拍的动作幅度。

S32：将所述羽毛球拍的动作幅度小于设定幅度阈值时的时刻作为定位起始时刻。

S33：根据所述定位起始时刻的目标图像及所述羽毛球拍的真实长度，确定所述羽毛球拍的初始空间位置。

S34：针对所述定位起始时刻后的任一定位时刻，根据所述定位起始时刻至所述定位时刻内各时刻所述羽毛球拍手柄中间位置的三轴加速度、所述羽毛球拍底座的三轴加速度及三轴角加速度，确定所述羽毛球拍在所述定位时刻的空间位置变化量。

具体地，采用以下公式确定所述羽毛球拍在t

其中，x

S35：根据所述羽毛球拍在所述定位时刻的空间位置变化量及所述羽毛球拍的初始空间位置，确定所述羽毛球拍在所述定位时刻的空间位置，以对所述羽毛球拍进行实时定位。

本发明可以实时准确检测羽毛球拍的空间位置，可以用来获取(自设坐标系下的)羽毛球拍关键位置(球底部、球顶部等)的三维坐标，进而可以分析运动时羽毛球拍挥拍过程每个时刻的姿态，进而分析动作的好坏快慢。

需要说明的是，本申请所涉及的对象信息(包括但不限于对象设备信息、对象个人信息等)和数据(包括但不限于用于分析的数据、存储的数据、展示的数据等)，均为经对象授权或者经过各方充分授权的信息和数据，且相关数据的收集、使用和处理需要遵守相关法律法规和标准。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、磁带、软盘、闪存、光存储器、高密度嵌入式非易失性存储器、阻变存储器(ReRAM)、磁变存储器(Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM)、铁电存储器(Ferroelectric Random Access Memory，FRAM)、相变存储器(Phase Change Memory，PCM)、石墨烯存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器等。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random AccessMemory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic RandomAccess Memory，DRAM)等。本申请所提供的各实施例中所涉及的数据库可包括关系型数据库和非关系型数据库中至少一种。非关系型数据库可包括基于区块链的分布式数据库等，不限于此。本申请所提供的各实施例中所涉及的处理器可为通用处理器、中央处理器、图形处理器、数字信号处理器、可编程逻辑器、基于量子计算的数据处理逻辑器等，不限于此。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。