[发明专利]一种篮球运动轨迹追踪系统

摘要

本发明涉及运动跟踪领域，具体是一种篮球运动轨迹追踪系统，包括MEMS无线传感集成模块、电池、电源模块、智能手环、zigbee模块、上位机、显示模块；MEMS无线传感集成模块与上位机通过无线连接；智能手环与zigbee模块通过无线传输数据包；zigbee模块与上位机通过无线传送数据；显示模块与上位机连接；所述电源模块用于提供电源。本发明通过MEMS无线传感集成模块将篮球的运动参数通过无线传输到上位机，且zigbee模块通过无线将zigbee模块与智能手环之间的RSSI值传输到上位机，经过上位机处理后拟合成篮球的运动轨迹，并输入到存储模块和显示模块，通过显示模块运动员可以很直观的看到篮球的运动轨迹，以便运动员调整下一次投篮的参数。

主权项

1.一种篮球运动轨迹追踪系统，其特征在于：包括球内部分、球外部分；所述球内部分包括MEMS无线传感集成模块、电池；所述MEMS无线传感集成模块与电池连接且固定在球体上；所述MEMS无线传感集成模块包括MEMS惯性测量单元、无线输出模块；MEMS惯性测量单元与无线输出模块连接；所述无线输出模块与上位机通过无线连接；所述球外部分包括电源模块、智能手环、zigbee模块、上位机、显示模块；所述智能手环与zigbee模块通过无线传输数据包；所述zigbee模块与上位机通过无线传送数据；所述显示模块与上位机连接；所述电源模块用于给球外部分提供电源；所述MEMS惯性测量单元采用ADIS16445；所述智能手环固定在运动员投球的手腕上，用于发送数据包给zigbee模块；所述zigbee模块有4个，分别布置于篮球场的4个角落；所述MEMS无线传感集成模块与电池固定在篮球内壁上，在篮球外壁对应位置设置有电池充电孔；所述上位机包括计时器、zigbee模块测距的算法、存储模块；用于根据MEMS无线传感集成模块采集到的篮球的运动参数拟合成篮球的运动轨迹；所述上位机根据MEMS无线传感集成模块采集到的篮球的运动参数拟合成篮球的运动轨迹具体包括以下步骤：(1)确定篮球出手点的坐标：设篮球直径为D，质量为M，篮球场长度为a，宽度为b,篮筐钢圈到地面的高度为h，篮球场的4个角落分别为A点、B点、C点、D点，以篮球场建立三维坐标系，A点坐标为(x1,y1,z1)，B点坐标为(x2,y2,z2)，C点坐标为(x3,y3,z3)，D点坐标为(x4,y4,z4)，以A点为坐标原点，以篮球场的A点和C点的连线所在的射线为X轴的正方向，以篮球场的A点和B点的连线所在的射线为Y轴的正方向，以A点为端点，垂直篮球场所在的平面的射线为Z轴的正方向，则A点坐标为(0,0,0)，B点坐标为(0,b,0)，C点坐标为(a,0,0)，D点坐标为(a,b,0)；A点、B点、C点、D点各放置一个zigbee模块，作为锚节点，设智能手环坐标为(x,y,z)，则出手高度H1＝z+D/2；(1)启动上位机、4个zigbee模块、智能手环和篮球内部的MEMS惯性测量单元，智能手环与4个zigbee模块之间通过确定RSSI值的方法确定智能手环的坐标；所述RSSI值为接收信号强度值，接收信号强度值与信号的传播距离的关系为：Pij＝A‑10nplog10(dij)；(2)Pij为发送节点i发送信号后，接收节点j接收到该信号时的信号强度值，单位为dBm，dij为发送节点i和接收节点j之间相距的距离；A为信号传播了1米后的接收信号强度值，np为路径损耗指数；上位机发送命令让智能手环给4个zigbee模块发送数据包，即智能手环向A点、B点、C点和D点分别发送数据包，设A点接收到智能手环发送的信息时，RSSI值为RSSI1，B点接收到智能手环发送的信息时，RSSI值为RSSI2，C点接收到智能手环发送的信息时，RSSI值为RSSI3，D点接收到智能手环发送的信息时，RSSI值为RSSI4，设智能手环到A点的距离d1，智能手环到B点的距离d2，智能手环到C点的距离d3，智能手环到D点的距离d4，根据信号强度值与传输距离的关系可以将RSSI1、RSSI2、RSSI3、RSSI4分别转换成对应的距离d1、d2、d3、d4，则可以建立方程如下：解以上方程组即可得到智能手环的坐标(x,y,z)，即出手点的坐标，根据出手点的坐标可得出手时篮球球心的坐标为(2)确定篮球运动到最高点的坐标：投出篮球后，MEMS惯性测量单元将所测得的篮球在X、Y、Z轴上的加速度a_x、a_y、a_z通过无线传到无线接收模块，再由无线接收模块传到上位机处理分析，同时上位机的计时器启动，记录此时的时刻T₀，当篮球运动到最高点时，此时Z轴上的加速度等于重力加速度，即a_z＝‑g，上位机的计时器记录此时的时刻T₁；篮球在T₁时刻达到最高点时Z轴上的速度v_z1＝0，则篮球在T₀时刻出手时Z轴上的速度由于在Z轴上能量守恒，即Z轴上的动能转化为重力势能，即由上式可以求出Δz，式中M是篮球的质量，Δz是篮球从出手点到最高点在Z轴上的位移；设最高点为F点，F点为篮球运动到最高点时的球心所在的位置，设其坐标为(xF,yF,zF)，篮球从出手点到最高点在X轴上的位移为Δx，则设篮球从出手点到最高点在Y轴上的位移为Δy，则则xF＝x+Δx；(11)yF＝y+Δy；(12)综上则可求出篮球运动到最高点F点的坐标(xF,yF,zF)；(3)确定篮球运动轨迹所在的抛物线的对称轴：篮球从投出后的运动轨迹是一条抛物线，根据抛物线的对称性，可知篮球在空中的运动轨迹是以经过在篮球场所在的平面上的点(xF,yF,0)且与篮球场所在的平面垂直的直线为对称轴的抛物线；(4)上位机拟合篮球运动轨迹：上位机根据篮球从出手点到最高点的运动轨迹以及对称轴拟合篮球被投出后到篮筐的运动轨迹，并且输入到存储模块，所述运动轨迹是选取篮球从出手点到篮筐钢圈到地面的高度h所在的平面为止。