CN112292720B - 实时高尔夫挥杆训练辅助器 - Google Patents

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Abstract

体育训练辅助器，包括可附接到人的身体或人的体育器具上的主体单元(110)，其中，主体单元(110)具有定位传感器模块；反馈刺激器；以及处理器。动作训练辅助器被配置成提供关于所研究的体育动作的动作错误的瞬时反馈，并且主体单元(110)期望在代表性位置处附接到人的身体(或人的体育器具)，该位置必定要经过代表所研究的体育动作的路径，并且定位传感器模块包括加速度传感器和陀螺仪传感器，并且处理器被配置为确定与其中主体单元(110)被确定为静止的事件相对应的静止位置，并且处理器被配置为追踪传感器模块相对于静止位置的运动，并且处理器被配置为在实时检测到用户所研究的体育动作的体育动作错误时，实时激活反馈刺激器，所述体育动作错误由动作传感器模块的动作路径表示。

Description

实时高尔夫挥杆训练辅助器
技术领域
本发明涉及训练辅助器的领域，即，帮助人或动物更好地执行该人或动物的某些活动的设备。更具体地，本发明涉及高尔夫挥杆训练辅助器。
背景技术
这种动作训练辅助器的一个示例从WO2003024544中已知。它公开了一种重复动作反馈***，该***具有各种传感器和设备，用于监视重复动作序列的各个方面，例如高尔夫挥杆。监视的方面可以包括由用户移动的对象的动作属性、用户的位置属性以及用户的动作属性。用于接收被监视方面的数据的数据处理***提供反馈数据，该反馈数据被提供给诸如图形显示设备或扬声器的反馈输出设备，从而向用户提供关于重复动作序列的反馈。在一个特定实施例中，将用户的表现与先前的表现的模板进行比较，并提供关于差异的反馈。
另一现有技术文献是US6778866，其公开了一种方法和设备，该方法和设备基于以电子方式测量实际身体动作的一个或多个参数、比较一个或多个测量的参数与目标身体动作的相应参数，以及基于一个或多个测量的参数与相应目标参数之间的对应程度向用户提供可感知的反馈，从而教导人们如何以一致的方式执行特定身体动作。在特定实施例中，反馈是可听见的。更具体地，反馈是具有特别适合于特定身体动作(例如高尔夫挥杆)的特定特性(例如节奏)的音乐曲调。反馈的形式可以是以电子方式使音乐曲调与实际身体动作和目标身体动作之间的差异成比例地走调。
在WO200518759中公开了用于教导运动员例如高尔夫球手的人体工程学动作的另一现有技术***和方法。该***包括用于捕获高尔夫球手的连续图像并执行优选的高尔夫挥杆的摄像机和允许高尔夫球手定义视频图像的空间区域的阈值定义***。如果侵犯了空间区域，则会触发警报，从而提供反馈，以便高尔夫球手可以更改下一次尝试的动作的技巧。例如，高尔夫球手可以限定区域，使得如果球杆在挥杆过程中离开平面，则发球区移除***使球消失。以这种方式，高尔夫球手仅在球杆停留在平面上时才能够击球。
发明内容
发明人已经认识到，试图改善诸如高尔夫挥杆、棒球棒击打、撑竿跳高或铁饼投掷的复杂运动的人经常存在问题，以纠正动作的错误部分并用更有效的部分替换这些错误部分。而且，即使配备了高级训练辅助器(例如视频记录设备)，该人的教练也可能会发现帮助人改善他或她的动作是困难和/或耗时的。
传统的运动员运动的视频记录是有帮助的，但是当运动完成并且视频设备已设置为回放时，需要随后进行研究，并且不能提供期望的快速反馈。还必须使用人脑的认知功能来研究和处理视频记录。替代地或者也可以使用大脑的更多非认知功能(例如情绪功能或反射)来提供反馈，这可能是一个优势。
提出的本发明的训练辅助器使用户也能够在潜意识水平上学习新的运动模式，新的运动模式创建了摆脱有意识的分析思维的学习。这又使新的运动方式在压力下可持续。
为了克服现有技术的缺点，本发明提供了一种运动训练辅助器，其基于可附接到人的身体上的小型轻量传感器单元，该传感器单元能够提供传感器数据，该传感器数据能够确定传感器单元相对于参考位置的位置。此外，人体动作追踪器包括处理器单元，该处理器单元被配置为计算和追踪传感器单元的位置。更进一步地，处理器被配置为能够将进行中的轨迹踪迹与预先提供的参考踪迹轨迹进行比较，以指示偏差。
然后，检测到这种偏差并几乎没有延迟地指示出来。在试图提供快速反馈的过程中，发明人已经意识到，视频动作分析机可能不够快，并且如果小型单元(例如单芯片动作追踪设备)可以进行调整并配置为追踪所关注的动作，则可能会以相对较低的成本构建***。
根据第一方面，本发明提供一种体育训练辅助器，其包括传感器单元，
传感器单元被配置为可附接到用户的身体或用户的体育工具，并且其中，传感器单元具有：
-动作传感器模块；
-反馈刺激器或用于与反馈刺激器无线通信的装置；
-处理器；
其中，体育训练辅助器被配置为提供与用户执行的所研究的体育动作的动作错误有关的实时反馈，并且
i)其中，传感器单元被期望在代表位置处附接到用户的身体或用户的体育器具，该代表位置必定要经过代表所研究的体育动作的路径，并且
ii)其中，传感器单元的动作传感器模块包括加速度传感器和陀螺仪传感器，并且
iii)其中传感器单元的处理器被配置为借助于来自动作传感器模块的数据来确定与事件相对应的静止位置，在该事件中传感器单元被确定为静止的，并且
iv)其中，处理器被配置为追踪传感器单元的传感器模块相对于静止位置的运动，并且
v)其中，处理器被配置为在实时检测到用户所研究的体育动作的体育动作错误时，实时激活反馈刺激器，该动作动作故障由传感器单元的动作传感器模块的动作路径表示。
训练辅助器被配置为在接收到触发信号和/或检测到预定事件后执行将内部位置寄存器和速度寄存器设置为零的启动序列(initiation sequence)，其中，检测预定事件是在预定的第一时间段内检测零动作或非常有限的动作。
此外，处理器被配置为检测静止位置以执行坐标系定位。更进一步，处理器被配置为通过识别某些参数来检测动作开始。
附图说明
现在将参考附图来描述本发明的非限制性实施例，其中：
图1a示出了根据本发明实施例的生物反馈装置的框图。
图1b示出了根据本发明另一实施例的生物反馈装置的框图。
图2a示出了用于以身体动作向人提供生物反馈的方法的流程图。
图2b示出了用于以身体动作向人提供生物反馈的另一方法的流程图。
图3a示出了挥动球杆的高尔夫球手的立体图。
图3b示出了运动员身体与已连接设备的立体图。
图4a示出了从高尔夫挥杆的上方观察的示意图，其中球杆和腕部的连续位置与允许偏差的管重叠在一起。
图4b示出了允许偏差的虚拟管的细节。
图4c示出了动作的一些采样点以及每个点的方向矢量以及方向矢量的极限锥/扇形。
图4d示出了具有用于加速度计和陀螺仪数据的参考方向的动作传感器单元的示意性立体图。
图4e示出了两个坐标系的示意图
图4f示出了准备使用动作开始序列或静止检测方法对齐的图4的参考帧。
图5示出了用于建立训练辅助器使用的基准位置的静止检测方法的流程图。
图6示出了用于训练辅助器具使用的位置计算方法的框图。
图7a示出了用于建立用于训练辅助使用的参考平面的方法的流程图。
图7b示出了用于建立训练辅助器具使用的旋转中心点的方法的流程图。
图8示出了与图7b的方法有关的几何关系。
图9示出了简笔图高尔夫球手的侧视图。
图10a示出了用于检测挥杆错误的测量的图形表示。
图10b示出了用于检测挥杆错误的测量的另一图形表示。
图10c示出了下摆和下摆之间的距离与下摆角度的函数关系图。
图11示出了过顶挥杆错误检测方法的流程图。
具体实施方式
定义
为了本发明的目的，在下文中，使用以下术语，其含义如下所述。
“动作”：用术语“动作”理解为由用户执行的、复合的或简单的任何身体运动，可以是他或她的一个或多个肢体、躯干或重心的运动。任何可能的歧义都应通过使用该术语的上下文来解决。示例动作包括但不限于部分或完全的跳高、撑竿跳高、掷链球、掷标枪、体操动作、舞蹈运动，啦啦队运动、棒球击球、棒球投球、高尔夫挥杆、推击球或跳马。在各种实施例中，动作还包括旋转运动。
“动作表示”：“动作表示”是动作的通常数学表示。动作表示可以包括线性和旋转动作位置、动作速度以及动作加速度的表示。例如，该动作可以由用户身体上预定点的当前位置表示，或者该动作可以由(动作)轨迹表示，参见下文。
“位置”：如本文所用，术语“位置”应理解为传感器单元或小物体相对于附近参考点的物理局部位置，并使用合适的坐标系表示。通常，在本发明的上下文中，位置在距参考点0-5米的量级内。
“不期望的动作”：术语“不期望的动作”用于表示从用户和/或他或她的教练的视角来看不期望的运动或包括不期望的特征的动作。
“身体动作追踪器”：如本文所使用的，术语“身体动作追踪器”表示在执行时可以根据处理后的传感器数据随时间推移追踪用户身体的一个或多个预定义点的设备、***或一段计算机代码。
“追踪”：用术语“追踪”理解为在动作过程中收集和存储(记录)用户身体上一个或多个预定义点的连续位置的活动。
“动作轨迹”：术语“动作轨迹”是指追踪活动的结果，即，从开始点或开始时间开始到结束点或结束时间结束时，预定的身体点随时间推移而存储的连续位置的总数量。
“参考动作轨迹”：“参考动作轨迹”是期望的动作轨迹，其可以用于创建模型，可以将动作的动作表示与模型进行比较。
“旋转角”或“旋转的角度”：在二维空间中，“旋转的角度”是物体围绕固定点旋转的角度的量的度量。在三维空间中，使用绕三个坐标轴的旋转角度来测量和指示旋转。
“预定义的身体点”：术语“预定义的身体点”是指用户身体上的点，该点已经具有便于追踪所述点的装置，例如，传感器单元。
“姿态”：在本发明的上下文中，术语“姿态”用于表示物体在空间中的取向(姿态、角位置)。姿态可以用俯仰角、偏航角和侧倾角来表示，或者用姿态向量或轴以及围绕该向量或轴的旋转角来表示，即轴角表示，参见欧拉旋转定理。
“动作传感器单元”：“动作传感器单元”被理解为是可附接到用户身体的单元，其能够传递动作信息，例如加速度和/或陀螺仪数据，即信息可以在合适的参考帧中确定传感器的姿态和三维位置或用户动作期间同一位置的变化。传感器单元被认为是足够小且重量轻的，而不干扰用户的动作。
“控制单元”：在本发明的上下文中，“控制单元”是包括用于操作设备的人机界面的单元，它通常还包括与处理器和/或动作传感器单元进行通信的无线通信装置。
“样本”：在本发明的上下文中，术语“样本”用于表示动作传感器单元在特定时刻的计算状态，并且可以包括线性和/或旋转的表示：如由处理器基于来自动作传感器单元的动作传感器数据并且还基于参考帧(即坐标系)所计算的动作位置、动作速度和动作加速度。与样品相关的是样品编号和/或样品时间。
“处理器”：在本发明的上下文中，如果没有其他明确提及的话，术语“处理器”用于表示处理器***，而不管它是否包括一个或多个逻辑或物理处理器。
“存储器”：在本发明的上下文中，如果没有其他明确提及的话，术语“存储器”用于表示存储器***，而不管它是否包括一个或多个逻辑或物理存储器。
“刺激器”：在本发明的上下文中，术语“刺激器”用于表示可附接到人或动物的身体并在接收到命令时能够引起该人或动物可感知的刺激的设备。
图1a示出了根据本发明实施例的训练辅助器***的框图。训练辅助器***包括用于提供动作传感器数据的动作传感器单元110。动作传感器单元110被配置成可容易地附接到人的身体的部分或该人所使用的工具。它可以是例如手镯或石膏的形式。动作传感器单元110连接到配置为处理动作传感器数据的处理器105并连接到存储器118。
如图1b，该***还可以包括控制单元120，用于容易地与处理器105通信。控制单元优选是手持式的。处理器连接到用于存储数据的存储器118。此外，该***包括能够引起人可感知的刺激的刺激器102。刺激器102优选地可附接到人的身体。优选地，刺激器102、处理器105、存储器118以及动作传感器单元可以全部布置或集成在同一物理单元中。
因此，动作传感器单元110具有一个或多个能够向与其连接的处理器105提供动作数据的传感器，并且处理器105配置为追踪动作传感器单元110的后续三维位置。动作传感器单元可以优选地是小型的单芯片动作追踪设备，其提供加速度计和/或陀螺仪数据，从而允许处理器计算动作传感器单元的相对位置数据而无需外部参考。在图4d中示出了9轴动作传感器单元的参考方向的示例。为X、Y和Z轴方向提供加速度，并分别提供绕所述轴的旋转加速度。市售单元是来自加利福尼亚州圣何塞的应美盛(INVENSENSE)的半导体动作追踪器设备MPU-9250。
无线通信
该***还可以包括无线通信装置，例如蓝牙或WIFI，使处理器105与控制单元120通信。
模式
在各种实施例中，控制单元可以用于将***设置为阈值设置模式和监督模式两种模式中的一种：
-在阈值设置模式下，可以将第一三维轨迹与阈值(也称为允许偏差)一起定义，该阈值可以是与动作相关的任何限制或阈值，包括但不限于使用以参考动作轨迹为中心轴创建的虚拟管的半径。同样，可以在此模式下设置姿态偏差参数。
此外，该***被配置为使得可以将控制单元连接到互联网并导入参考动作轨迹和容许偏差。控制单元还被配置为便于调节容许偏差的参数。允许偏差的典型参数可以包括从中心曲线410测量的允许管431、432、433的半径(参见图4b)，以及由允许的姿态角和/或姿态角区间的圆锥体表示的(一个或多个)允许的姿态偏差角(参见图4c)。在各种实施例中，可以将期望的轨迹和/或期望的姿态角预先定义为工厂设置，具体取决于要进行的动作(训练)，该工厂设置可以通过某些身体测量值的输入来调节，例如，指尖到地面的距离和手臂的长度轨迹。
在监督模式下，处理器被配置为将传感器单元位置或者传感器单元位置和传感器单元姿态两者与参考值进行比较。关于位置，只要实际运动停留在虚拟管内，就认为该动作令人满意，并且不会引起刺激。因此，取决于动作传感器单元110相对于某些极限或阈值或参考运动的运动，当动作传感器单元移开超出任何限制或阈值或超出允许的偏差距离和/或姿态偏离了圆锥角时，处理器可以立即将引起第一刺激的命令发送给刺激单元102。
在各种实施例中，处理器可以被配置为仅通过预定运动完成比较，并且不被配置为能够以任何阈值或参考动作模式进行设置。
刺激类型
在各种实施例中，该***具有刺激器102，以根据与参考动作或特定动作标准相比的当前动作来引起刺激。刺激器102优选地被配置为提供令人沮丧的刺激。刺激可以是触觉刺激、电刺激、光刺激、听觉刺激、热刺激或冷刺激或其组合。根据用户的需求，可以选择刺激以使动作学习最大化。优选地，由刺激单元引起的刺激是电刺激。甚至更优选地，刺激单元被配置为能够引发如此量级的电刺激，以至于它对大多数人来说都是痛苦的。刺激单元被配置为能够传递这种刺激。***可以被配置为使得刺激的量级是可调节的。
刺激单元被配置为实时地，即没有明显延迟地，优选地以小于50毫秒(ms)，或更优选地小于20ms或最优选地小于10ms的延迟来实时地传送刺激。
训练正确位置的方法
现在参考图2a，提供了一种用于人或动物的训练辅助器的方法，该训练辅助器具有动作传感器单元110，以改善身体动作，该方法包括步骤：
-接收215动作传感器单元110的数据；
-基于传感器单元数据确定220传感器单元的当前位置；
-将所确定的传感器单元的当前动作位置值与预定的期望动作的对应位置值或特定动作标准进行比较225；
-鉴于预定阈值或基于特定动作标准，基于当前动作的位置值与预定期望动作的位置值之间的不一致程度，发出230刺激；
其中，发出的刺激可以是电刺激。
现在参考图2b，该方法可以包括如图所示的附加步骤。示出了通过身体动作向人提供生物反馈的另一方法的流程图，该方法包括步骤：
-启动(306)内部动作寄存器以获取传感器单元的位置、速度以及姿态，另请参见以下段落；
-从动作传感器接收307数据；
-将动作开始标准应用于315接收到的数据，见下文；
-确定320动作是否开始；
-基于步骤320的决定来校准325设备，参见下文；
-决定330参考动作轨迹是否可用；
-将正在进行的当前动作轨迹与参考动作轨迹进行比较335；
-确定340当前动作轨迹是否偏离参考动作轨迹超过预定的程度，如果是，则指示这一点；
-确定342动作是否结束，如果是，则保存到存储器；
-基于用户输入确定344是否要将动作轨迹保存为参考动作轨迹。
启动
在各种实施例中，训练辅助器依赖于来自MEMS动作追踪设备的加速度计和陀螺仪数据。处理器被配置为具有(处理器)内部或外部位置寄存器、姿态寄存器和速度寄存器，以保持动作传感器单元的当前位置、姿态和速度的更新。使用来自动作传感器单元的动作传感器数据更新寄存器。处理器被配置为执行启动(initiation)过程以重置动作传感器单元的位置的位置坐标。在各种实施例中，通过将传感器单元保持静止预定的时间量来完成寄存器的启动。
发明人已经发现了创建足够快速和准确的方式来确定动作参数以能够实时检测错误的动作的问题。该解决方案必须应付两步积分过程，以便基于加速度类型数据计算位置，该位置可能与或多或少的随机漂移量相关联。他们解决问题的方法包括上文提到的并在下文将进一步详细介绍的初始化(initiation)过程。它是在动作分析开始之前直接执行的，并且以某种方式使漂移最小化。
在研究过程中，发现确定的一个重要参数是传感器单元相对于重力加速度方向的取向。在保持传感器单元静止的时间段内，传感器单元确定传感器单元相对于重力加速度矢量的方向。除了垂直于重力之外，左右方向和前后方向的取向是任意设置的，并且相应地配置了进一步的计算。
因此，优选地可以通过按下动作传感器单元或控制单元上的按钮和/或通过将传感器单元“静止”保持预定的时间量，和/或仅通过使其保持足够的静止(即，使加速度计和陀螺仪的活动水平低于某些水平的非常静止)来完成启动。
预定时间段可以优选地是持续时间在1到5000毫秒之间，或更优选地在持续时间在5到20毫秒之间，或者甚至更优选地在7到15毫秒之间，或者最优选地在9到11毫秒之间，在此预定时间段期间内，处理器优选地对接收到的动作传感器数据(加速度)求平均，并且如果该平均值低于某个值，则处理器确定(决定)可以继续进行启动。
因此，在启动过程中，处理器在接收到触发信号和/或检测到预定事件时确定启动时间点。该启动时间点可以是评估传感器动作单元不受重力以外的任何加速度影响的时刻。
处理器被配置为具有(处理器)内部或外部位置寄存器和速度寄存器，基于动作传感器数据和在特定时间将寄存器重置为零(x，y，z)＝(0，0，0)，
Figure BDA0002841170650000091
的概念(设想、构想、事实)，这些寄存器在该启动时间点被设置为零，或者被更新为当前位置和当前速度数据。
动作开始识别
在各种实施例中，处理器优选地被配置为搜索表明(告知、发出信号)动作已经开始的动作开始标识符，即短动作序列或预定的达到的动作速度。可以将开始序列的方向确定为在动作传感器单元的所获得的动作速度的预定绝对值处的速度矢量的方向。该方向用于将参考动作轨迹与当前动作对准，此过程在此也称为“校准”。
图4e示出了两个不同的参考帧/坐标系的示意图。图4f示出了准备对准的图4e的参考系。处理器优选地被配置为搜索动作开始标识符，即，短动作轨迹部分(491)。处理器被配置为对准短动作轨迹部分(491)以装配在虚拟动作开始管494中。随后，虚拟动作开始管494用于将具有第二原点552的当前参考帧与具有第一原点551的参考动作参考帧对准。
另一动作开始标识符可以是预定的达到的动作速度，表示动作已经开始并且沿什么方向开始。优选将开始序列的方向确定为在动作传感器单元的所获得的动作速度的预定绝对值处的速度矢量的方向。然后使用该方向将参考动作轨迹与当前动作对准，此过程在此称为“校准”。
启动的示例
在各种示例性实施例中，提供了一种体育动作训练辅助器，其包括：
传感器单元
传感器单元被配置为可附接到用户的身体或用户的体育器具，并且其中传感器单元(110)具有：
-动作传感器模块；
-反馈刺激器或用于与反馈刺激器无线通信的装置；
-处理器；
其中，体育动作训练辅助器被配置为提供与用户执行的所研究的(studied)体育动作的动作错误有关的瞬时反馈，并且
i)其中，传感器单元期望在代表位置处附接到用户的身体或用户的动作器具，该代表位置必定要要经过代表所研究的体育动作的路径，并且
ii)其中，传感器单元的动作传感器模块包括加速度传感器和陀螺仪传感器，并且
iii)其中，传感器单元的处理器被配置为借助于来自动作传感器模块的数据来确定一静止位置，该静止位置与一事件相对应，在该事件中该传感器单元(110)被确定为静止的，并且
iv)其中，处理器被配置为追踪传感器单元的传感器模块相对于静止位置的运动，并且
v)其中，处理器被配置为在实时检测到用户所研究的体育动作的体育动作错误时，实时激活反馈刺激器，该体育动作错误由传感器单元的动作传感器模块的动作路径表示。
在各种实施例中，处理器被配置为使用包括以下步骤的方法来确定静止位置：
-根据来自三轴加速度计传感器的数据重复计算加速度矢量；
-确定该加速度矢量的绝对值在预定的时间内保持在预定的阈值以下；
-确定该加速度计矢量在预定的时间内保持等于或接近地球重力加速度的稳定绝对值；
此外，处理器可以被配置为使用包括以下步骤的方法来确定静止位置：
-确定陀螺仪传感器的读数被限制在某些预定义的极限值之内。
在各种实施例中，确定稳定绝对值包括以下步骤：
-检查加速度计矢量绝对值的变化是否在预定区间内，最好在距地球重力加速度+/-一定百分比的范围内。
在优选实施例中，处理器可以被配置为在确定静止位置时丢弃陀螺仪传感器数据。
用户可以是动物。
使用动作传感器数据计算传感器单元位置的示例
如上所述，来自动作传感器模块的动作数据包括加速度数据和陀螺仪数据。在识别静止位置的启动过程中，许多位置寄存器被设置为零。动作传感器模块的取向设置为加速度方向的平均值，假定该加速度源自地球重力，并且可能由于正常的轻微无意识的肌肉收缩而产生一些小的随机波动。
在各种实施例中，来自动作传感器模块的三轴陀螺仪的输出包括数字输出X轴、Y轴和Z轴角速率。加速度计的输出包括三轴加速度。
在各种示例性实施例中，提供了一种体育训练辅助器，其包括：
传感器单元
传感器单元被配置为可附接到用户的身体或用户的体育器具，并且其中传感器单元(110)具有：
-动作传感器模块；
-反馈刺激器或用于与反馈刺激器无线通信的装置；
-处理器；
其中，体育训练辅助器被配置为提供用户执行的所研究的体育动作的动作错误有关的瞬时反馈，并且
i)其中传感器单元期望在代表位置处附接到用户的身体或用户的体育器具，该代表位置必定要经过代表所研究的体育动作的路径，并且
ii)其中，传感器单元的动作传感器模块包括加速度传感器和陀螺仪传感器，并且
iii)其中，传感器单元的处理器被配置为借助于来自动作传感器模块的数据来确定一静止位置，该静止位置与一事件相对应，在该事件中该传感器单元(110)被确定为静止的，并且
iv)其中，处理器被配置为追踪传感器单元的传感器模块相对于静止位置的运动，并且
v)其中，处理器被配置为在实时检测到用户所研究的体育动作的体育动作错误时，实时激活反馈刺激器，该体育动作错误由传感器单元的动作传感器模块的动作路径表示，并且
vi)其中，基于动作传感器模块的加速度计数据以及仅与静止位置相对应的动作传感器模块的加速度计数据，确定并设置传感器模块的初始取向，并且
vii)其中，传感器单元的进一步动态变化的取向是基于来自动作传感器模块的陀螺仪的角速率和仅来自动作传感器模块的陀螺仪的角速率确定的。
在各种实施例中，处理器被配置为使用包括以下步骤的方法来确定静止位置：
-根据来自三轴加速度计传感器的数据重复计算加速度矢量；
-确定该加速度矢量的绝对值在预定的时间内保持在预定的阈值以下；
-确定该加速度计矢量在预定的时间内保持等于或接近地球重力加速度的稳定绝对值；
此外，处理器可以被配置为使用包括以下步骤的方法来确定静止位置：
-确定陀螺仪传感器的读数被限制在某些预定义的极限值之内。
预定时间量可以优选在0.5至2.5秒的区间内。
静止指示
作为替代，在各种实施例中，固定时段被静止检测器和指示器代替，这指示***现在准备好被使用。该静止检测器评估传感器数据，以便能够分辨出加速度和/或陀螺仪参数何时低于某个阈值。
在各种实施例中，确定稳定绝对值包括以下步骤：
-检查加速度计矢量绝对值的变化是否在预定区间内，最好在距地球重力加速度一定百分比的范围内。
在优选实施例中，处理器可以被配置为在确定静止位置时丢弃陀螺仪传感器数据。
用户可以是动物。
在各种实施例中，基于动作传感器模块的所计算的动态变化的取向(姿态)以及动作传感器模块的对应的加速度计数据，来计算动作传感器模块的进一步的动态变化的位置。
静止检测的示例
图5示出了训练辅助器的静止检测器的流程图。辅助器配置为执行包括以下步骤的静止检测500方法：
-使用510三轴加速度计输出和3轴陀螺仪输出作为AHRS算法的输入，以确定手腕传感器单元的取向。
-使用作为重力方向的估计的3轴加速度计输出和3轴陀螺仪的角速度来估计520取向；
-基于加速度计和/或陀螺仪活动水平(level)，确定525传感器单元是否保持足够静止；
-将位置重置530为x＝y＝z＝0；
-重置530线速度和角速度；
-保持530的姿态和重力方向适应；
-指示535准备就绪，这可以通过向用户显示绿灯来完成；
-开始计算535并更新位置；
-仅使用陀螺仪传感器数据更新姿态；
-开始检测540挥杆；
-基于在预定时间内没有挥杆而重启静止检测540。
高尔夫球挥杆检测的示例
提供了一种高尔夫训练辅助器，其包括可附接到人的身体上的主体单元，其中该主体单元具有：
-定位传感器模块；
-反馈刺激器或用于与反馈刺激器无线通信的装置；
-处理器；
其中，高尔夫训练辅助器被配置为提供实时反馈，并且
其中，主体单元期望在代表性位置处附接到人的身体，该位置必定要经过代表所研究的体育动作的路径，并且
其中，定位传感器模块包括加速度传感器和陀螺仪传感器，并且其中模块被配置为追踪人的运动并确定其中人体单元被确定为静止的静止位置，其中，加速度和/或陀螺仪信号可用于确定主体单元的位置，其中加速度传感器数据仅用于确定静止时主体单元的取向，并且其中，陀螺仪数据仅在不静止时用于确定主体单元的取向，并且
其中处理器被配置为实现高尔夫挥杆检测器，该高尔夫挥杆检测器被布置为检测高尔夫挥杆被开始，高尔夫挥杆检测器可以包括入选标准和拒绝标准，并且其中
入选标准包括：
-从静止开始的特定时间段内的至少预定高度增加的高度增加，该特定时间段优选地在1.7秒与2.0秒之间，并且
-该运动导致累积的行进角至少达到预定量，该预定量优选地在100至120度内，更优选地大约110度，并且
其中拒绝标准包括：
-初始静止期无法让***确定z方向；
其中，处理器被配置为在检测到人的体育动作错误时激活反馈刺激器。
此外，高尔夫训练辅助器可以包括：预定的高度增加在0.4至0.6米的区间内，或更优选地在0.45至0.55m之间，或者最优选地在0.49至0.51m之间。
此外，高尔夫训练辅助器可以包括：预定的静止阈值时间在5到20毫秒的区间内，或更优选地在7到15毫秒的区间内或最优选地在9到11毫秒之间。
示例3：“高尔夫挥杆训练辅助器”
提供了一种高尔夫训练辅助器，其包括可附接到用户的身体或用户的体育器具的传感器单元，其中该传感器单元具有：
-位置传感器模块；
-反馈刺激器；
-处理器；
其中，动作训练辅助器被配置为在检测到挥杆错误时提供瞬时反馈，并且
其中主体单元期望在代表性位置处附接到人的身体(或人的体育器具)，该位置必定要经过代表所研究的体育动作的路径，并且
其中，高尔夫训练辅助器包括用于：
-确定主体单元何时静止，并且
-确定主体单元的位置；
-检测到高尔夫挥杆被开始，并且
其中，过顶检测器，其设置为当人执行具有过顶挥杆错误的高尔夫挥杆时发出信号，所述过顶检测器包括：
-处理器；
所述处理器被配置为基于位置传感器数据来计算挥杆平面的位置；
处理器还被配置为实时计算主体单元相对于挥杆平面的位置，并且
根据主体单元相对于挥杆平面的路径，与过顶挥杆错误一致，激活反馈刺激器。
高尔夫训练辅助器还可被配置为使得，如果满足以下标准，则认为主体单元相对于挥杆平面的路径与过顶挥杆错误相一致：
-主体单元路径的下部在垂直于挥杆平面的方向上在向上路径的前方相距距离A。
确定z方向
为了在不借助外部参考的情况下促进用户运动的计算和分析，如上所述，使用基于在非活动状态下感应重力的程序来建立内部参考。
在所谓的惯性系(也称为全局帧)中，将z方向定义为向上，即与重力方向对准。可以附接到手臂的腕部的传感器或传感器单元可以称为身体系，并且传感器需要不断地能够确定或知道其坐标系与全局帧之间的关系。在各种实施例中，这通过使用所谓的姿态和航向参考***(AHRS)来实现。AHRS在微型飞机上的具体用法如下所示：IEEE Transactionson automatic control,Vol.53,No.5,June 2008,p 1203Mahony et.al。
AHRS使用AHRS算法来计算传感器取向，即不是传感器位置，而是仅计算其相对于全局帧的角度，也称为“姿态”。AHRS算法被设置为在整个时间内都处于活动状态，但是它被配置为根据用户静止还是移动而采取不同的行动。在静止期间，AHRS算法使用加速度计值作为重力方向的参考。AHRS算法根据加速度计的值调整其取向。
在静止期结束时，AHRS算法已经获得了对身体系和全局帧之间关系的最佳估计。AHRS算法被配置成使得，一旦运动开始了，加速度计值就不会用作参考。这样做是因为在动作期间，加速度计值包括由传感器的运动引起的加速度分量。AHRS算法配置为在运动过程中仅基于陀螺仪数据而不使用加速度计数据来更新传感器(单元)的姿态和方向。
设定x和y方向
训练辅助器被配置为内部使用x，y，z坐标系来追踪和分析由传感器单元的运动反映出的用户运动。上面描述了z方向的确定。不需要相对于高尔夫球场或周围环境来确定全局帧中的x方向和y方向。但是，在内部，用户和高尔夫挥杆在全局帧中旋转，从而投影到全局帧的x-y平面上的参考平面或“挥杆平面”(请参见下文)的法向矢量指向正x方向。这意味着高尔夫球的发射方向沿y轴，高尔夫球手的鼻子指向正x方向。
高尔夫训练辅助器
在各种实施例中，提供了一种高尔夫挥杆训练辅助器。训练辅助器可以包括具有识别高尔夫挥杆开始的硬件或软件的特征。在各种实施例中，提供了发明人所选择的所谓的“高尔夫挥杆检测器”。
高尔夫挥杆检测器被配置为要做的第一件事是检测从静止到动作的进度。这可以通过为一个或多个动作参数设置阈值并在超过一个或多个阈值时确定运动已经开始来实现。在静止时间段之后，每次用户运动都会发生从静到动的变化。
高尔夫挥杆检测器还被配置为如果在预定时间段内没有发生任何事情，则返回以等待新的静止时间段。该预定时间段可以设置在1.5秒至2.5秒的区间内。如果检测到传感器单元向上(即沿z方向)的运动超过预定距离，则允许高尔夫挥杆检测器继续工作。该预定距离可以优选地设置为约0.5米。换句话说，在x-y平面上的动作以及在z方向上的向上运动可以被视为激活高尔夫挥杆检测器的标准。
位置确定硬件和软件
现在转到图6，在各种实施例中，通过向AHRS单元615提供来自腕式传感器单元陀螺仪数据单元605和传感器单元加速度计数据单元610的数据来确定腕式传感器单元的位置。AHRS单元将取向/姿态数据馈送到四元数旋转单元620，该四元数旋转单元620建立并保持相对于全局帧的局部帧取向。四元数旋转单元以全局帧格式将加速度数据提供给减去重力分量的减重单元625。加速度数据从减重单元625馈送到双积分单元630，双积分单元630又馈送位置数据。位置坐标的重置可以由重置单元635执行。
设置参考平面
在各种实施例中，训练辅助器被配置为确定参考平面。该平面也可以被称为挥杆平面，但是由于该术语有时在高尔夫文献中以其他含义使用，因此这里优选将其称为参考平面。图7a示出了用于建立用于训练辅助器使用的参考平面的方法的流程图。该方法包括以下步骤：
-确定运动已经开始，即，从静止位置加速度计和/或陀螺仪数据确定与传感器单元的运动一致；
-将初始位置设置715为刚开始运动之前的位置，x＝y＝z＝0；
-追踪720传感器单元的相对位置；
-确定725陀螺仪累积的角运动(自静止起)是否大于或等于预定值，很可能是挥杆的主要部分。测试表明，合适的值大约110度。
-将第一参考点设置730到初始位置；
-将第二参考点设置735到预定的累积的角值处的位置；
-将第三参考点设置740到预定的累积的角度值的一半处的位置；
-创建745参考平面作为包含第一参考点、第二参考点以及第三参考点的平面。
因此，参考平面是由三个参考点定义的平面，其中第一参考点可以是传感器单元静止的点，第二参考点可以是当达到陀螺角运动的预定值时传感器单元所在的点，并且第三参考点可以是当陀螺角运动的值是在静止值与预定值之间的某处时传感器单元所在的点。这样做时，陀螺角运动值可以在静止处设置为零。优选地，预定值在100至120度之间，更优选地在105至115度之间，并且最优选地110度。
图7b示出了用于建立训练辅助器使用的旋转中心点的方法的流程图。该方法包括以下步骤：
-确定755运动已经开始，即，从静止位置加速度计和/或陀螺仪数据确定与传感器单元的运动一致；
-将初始位置设置为刚开始运动之前的位置，x＝y＝z＝0；
-追踪传感器单元的相对位置；
-确定765陀螺仪累积的角运动是否大于或等于很可能是挥杆的主要部分的预定值，。测试表明，合适的值大约110度。
-将第一参考点设置770到初始位置；
-将第二参考点设置775到预定的累积的角度值处的位置；
-将第三参考点设置780到预定的累积的角度值的一半处的位置；
-将旋转中心点设置785为上述基准平面中的第一参考点和第三参考点之间的线的法线与第二参考点和第三参考点之间的线的法线之间的交叉点。
图8示出了与图7b的方法有关的几何关系。如图7a中确定的平面内，P1是第一参考点，P2是第二参考点，P3是第三参考点。线P1-P3是第一参考点与第三参考点之间的线。P2-P3是第二参考点和第三参考点之间的线。N1是线P1-P3的法线，起始于P1和P3之间的中点。N2是线P2-P3的法线，起始于P2和P3之间的中点。旋转中心点C标记为C。T为轨迹。
检测过顶挥杆错误
图9示出了简笔图高尔夫球手的侧视图。向后挥杆轨迹BST显示为标记为BST的虚线。向下挥杆轨迹DST显示为标记为DST的虚线。参考平面或挥杆平面标记为SP。向后挥杆轨迹BST和向下挥杆轨迹DST之间的距离A标记为A。
图10a示出了用于检测挥杆错误的测量值的图形表示。向后挥杆轨迹BST在过渡点“0”过渡到向下挥杆轨迹DST。第一向下挥杆角β1被示为10度，第二向下挥杆角被示为20度。
图10b示出了测量的另一图形表示，以指出向后挥杆轨迹BST和向下挥杆轨迹DST之间的测量距离A1和A2。TP是过渡点。从侧面看，RPL是参考平面。
图10c示出了距离与向后挥杆角的函数关系图。虚线区域对应于用于检测过顶挥杆错误的标准。试验表明，在某一向下挥杆角度(例如20度)下，向后挥杆轨迹和向下挥杆轨迹之间在垂直于参考平面的方向上(向上和向前)的距离A与过顶挥杆错误一致。在各种实施例中，这还被用来触发刺激器，以向用户产生负面反馈，如前所述。
图11示出了过顶挥杆错误检测方法的流程图。该方法包括以下步骤：
-确定1105向下挥杆已经开始，这可以通过检测围绕旋转中心点的角度不再增大而是减小来完成。
-追踪1110与过渡点TP形成的角度Beta(β)，请参见图10a，10b；
-追踪1120在向后挥杆轨迹BST和向下挥杆轨迹DST之间保持距离A；
-通过考虑角度β是否与向后挥杆轨迹和向下挥杆轨迹之间的距离A在预定距离区间内的同时在预定角度区间内，来确定1130向下挥杆轨迹是否与过顶摆杆错误一致。试验表明，合适的值包括10到25度的预定角度区间，而预定的距离区间包括超过2cm的值。
该方法还可以包括以下的步骤：
-激活1135反馈刺激器；
-确定1140角度β超出预定区间；
在另外的实施例中，还可以检测到过顶(UTT)挥杆错误。计算方式类似于OTT，但距离区间位于负侧。例如，以10到25度的角度区间减去(-)10cm。
在另外的实施例中，处理器可以被配置为使得预定角度区间和预定距离区间是自动调节的。

Claims (3)

1.一种高尔夫训练辅助器，包括：
传感器单元，
所述传感器单元(110)被配置为可附接到用户的身体或用户的体育器具，并且其中，所述传感器单元(110)具有：
-动作传感器模块；
-反馈刺激器或用于与反馈刺激器无线通信的装置；
-处理器；
其中，所述高尔夫训练辅助器被配置为提供与所述用户执行的高尔夫挥杆动作的动作错误有关的实时反馈，并且
i)其中，所述传感器单元期望在代表位置处附接到用户的身体或高尔夫球杆，所述代表位置必定要经过代表所述高尔夫挥杆动作的路径，并且
其中，所述高尔夫训练辅助器包括装置以用于：
-确定所述传感器单元(110)何时静止，并且
-确定所述传感器单元(110)的位置；
-检测到高尔夫挥杆已经开始，
其中，过顶检测器被布置成当用户执行具有过顶挥杆错误的高尔夫挥杆时发出信号，所述过顶检测器包括：
-处理器，被配置为基于传感器单元数据来计算挥杆平面的取向和位置，所述挥杆平面是由三个参考点定义的平面，所述三个参考点是三个几何点，其中，第一参考点可以是传感器单元静止时的位置，第二参考点可以是当达到陀螺角运动的预定值时所述传感器单元所在的点，并且第三参考点可以是当所述陀螺角运动的值是在静止值与所述预定值之间的某处时所述传感器单元所在的点，所述处理器还被配置为实时计算所述传感器单元(110)相对于所述挥杆平面的位置，并且
-基于所述传感器单元(110)的路径被估计为与过顶挥杆错误一致的事件，激活反馈刺激器。
2.根据权利要求1所述的高尔夫训练辅助器，其中，如果满足以下条件，则认为所述传感器单元(110)的路径与过顶挥杆错误一致：
-所述传感器单元(110)的路径的向下部分在垂直于挥杆平面的方向上在向上路径前方相距距离D。
3.根据权利要求2所述的高尔夫训练辅助器，其中，在以下情况下，也认为所述传感器单元(110)的路径与过顶挥杆错误一致：
所述距离D被计算为出现在第一预定角度和第二预定角度之间的围绕旋转中心点C的旋转角度之内。
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