使用移动装置的动作传感器对体育动作进行分析的方法和系统

摘要

在此提供了一种使用移动装置(10)(如智能电话)的动作传感器分析体育动作的方法和系统(100)。本方法和系统(100)使用移动装置(10)动作传感器输出定义与一个虚拟对象(如高尔夫球、棒球或网球)的撞击点。针对特定于每种类型的体育动作的特性分析体育动作的动作传感器特征。在此披露了使用移动装置内的多个传感器输出计算与一个虚拟对象(如高尔夫球、棒球或网球)的撞击点的方法和系统。进一步地，在此披露了一种方法，其中移动的虚拟体育对象与虚拟体育动作交互并且在移动装置(10)和/或任何启用网络的显示装置上显示响应的输出。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年10月25日提交的Jeffery等人的题为“使用具有集成 动作感测的移动电话用于体育动作的评价并响应于所述评价而提供定制的体育 教学(Using a Mobile Phone With Integrated Motion Sensing For Evaluation of  Sports Motions and Providing Customized Sports Instructions Responsive to Said  Evaluation)”的临时申请序列号61/551,388的权益；2011年12月27日提交的 Jeffery等人的题为“使用具有集成动作感测的移动电话用于高尔夫球挥杆动作 评价和定制的高尔夫球杆配合(Using a Mobile Phone With Integrated Motion  Sensing For Golf Swing Evaluation and Customized Golf Club Fitting)”的临时申 请序列号61/580,534的权益；以及2012年10月15日提交的Jeffery等人的题 为“用于使用来自移动装置的多传感器信息对体育动作进行分析的方法 (Method to Analyze Sports Motions Using Multiple Sensor Information From a  Mobile Device)”的临时申请序列号61/713,813的权益；每个申请通过引用结合 于此。

技术领域

本发明涉及一种使用移动装置的动作传感器对体育动作进行分析的方法和 系统。

相关技术描述

体育动作(特别是高尔夫球挥杆动作)的评价中存在广泛的现有技术。例 如，若干制品多种发射监控器，这些监控器使用高速视频摄像机分析高尔夫球 的发射角度和速度。此外，现有技术中披露了使用可附装到高尔夫球杆上的各 种装置来捕获动作数据以供进一步分析。例如，Hashimoto等人的WIPO公开 号WO2011085494描述了一种可附装到物理高尔夫球杆上的具有个人计算机分 析的数据的动作传感器的系统。类似地，Eyestone等人的美国公开专利申请号 2005/0054457披露了一种可以附装到物理高尔夫球杆上的夹式动作传感器，其 中数据收集在具有蓝牙连接的装置上。此外，PING公司已经开发出一种推杆分 析系统，其中，用户推杆时击打物理球，并且被夹到物理高尔夫球杆上的移动 电话中的动作传感器提供应用程序分析推杆和与将结果与职业高尔夫球手的结 果进行比较的所用的数据。然而，这种现有技术系统和方法要求与物理球撞击、 和/或使用体育设备、或附装到体育设备上。

在计算机游戏世界中，已经引入了利用动作传感器的若干种与体育相关的 游戏。例如，任天堂(Nintendo)Wii为一种流行的游戏机，并且Wii控制器 包含一个通过红外连接到游戏机上的3轴加速计。任天堂Wii控制器通过蓝牙 连接到游戏机上并使用加速计感测三轴中的加速度。Wii控制器的特征还在于 一个PixArt光学传感器，该光学传感器与一个被放置在距离用户若干英尺远的 10LED传感器条组合并且物理地连接到游戏机上，允许确定Wii遥控器指向哪 儿。Wii控制器的添加件是可用的，其包括一个陀螺仪，但Wii要求或不要求 用户购买昂贵、笨重的整个游戏系统并且要求物理地附装到电视上。

发明内容

本披露的一个方面涉及一种分析体育动作的方法。该方法包括：使用一个 移动装置确定有待模拟的一个体育动作的起点，该移动装置具有多个集成动作 传感器；沿着一条路径从该起点移动该移动装置以完成该模拟；从这些动作传 感器获得与该起点和沿着该路径的移动相关的动作数据；使用所获得的动作数 据确定一个模拟体育事件的发生；以及输出与所模拟的体育动作相关的信息； 其中，该移动装置没有附装到任一件体育设备上并且不通过用户键入的输入指 示该起点。在一个实施例中，通过静止握持该移动装置一段预先确定的时间长 度指示该起点。在一个实施例中，该与所模拟的体育事件相关的信息包括例如 在该移动装置的屏幕上输出该信息。在另一个实施例中，该与所模拟的体育事 件相关的信息包括将该信息输出到一个游戏系统。

在一个实施例中，所确定的体育事件为与一个虚拟对象(如虚拟高尔夫球) 撞击的点。在高尔夫球情况下，将代替高尔夫球杆，使用该移动装置来模拟全 力高尔夫球挥杆、削球、或推杆。在一个实施例中，具体地针对全力高尔夫球 挥杆，通过找到该移动装置的劈起在一个第二最小值处或其附近时的时刻来确 定该撞击点。在另一个实施例中，通过找到该移动装置的劈起在一个最小值处 或其附近并且该移动装置的偏转的导数(变化速率)在一个最大值处或其附近 时的时刻来确定该撞击点。

该分析体育动作的方法可以进一步包括使用陀螺仪数据(不需要加速计) 与针对挥杆类型的估算臂长、球杆长度以及弧长的数据确定虚拟对象在撞击点 周围的速度的步骤。在另一个实施例中，可以使用合适的加速计确定虚拟对象 的瞬时速度。在一个实施例中，可以基于如分别通过该移动装置在该撞击点处 的偏转和滚动测量的估算手腕合页和前臂转动来应用一个乘数，包括在所获得 的动作数据内。

该分析体育动作的方法可以包括分析所模拟的体育动作的步骤。例如，针 对高尔夫球，分析所模拟的体育动作可以包括在所模拟的体育动作过程中分析 移动装置的劈起和该移动装置在撞击点处的滚动。关于体育动作(例如，高尔 夫球挥杆)的分析信息可以为用户呈现在移动装置上，或呈现在通过互联网连 接到基于云的服务器上的启用网络的显示器上。

在一个实施例中，该体育事件为一个释放点，例如保龄球、长曲棍球手柄、 篮球、棒球、曲棍球球棍、沙包、美式足球以及钓竿的释放点。

该方法可以进一步延伸至包括涉及对随着虚拟体育设备(如棒球球棒、曲 棍球球棍、网球拍、乒乓球拍、羽毛球拍等)移动的一个或多个虚拟对象(如 棒球、冰球、网球、乒乓球、羽毛球等)进行击打的体育动作。该方法还可以 用于分析引起与距离球员某一距离处的对象撞击的体育动作，如虚拟飞蝇钓钩 抛向鱼、虚拟保龄球碰撞保龄球柱、虚拟篮球被投在虚拟篮框处、虚拟美式足 球被投在正在跑的虚拟接球员处、虚拟沙包或虚拟标枪被投在目标处。

本披露的另一个方面涉及一种分析体育动作的方法。该方法包括(a)在一 个启用网络的显示器的屏幕上显示一个移动的虚拟对象；

(b)从一个移动装置的多个动作传感器获得动作数据，该动作数据与一个 模拟体育动作相关；(c)使用所获得的动作数据确定该体育动作的起点和沿着 该体育动作的一条路径的移动；(d)对所模拟的体育动作的计时与该移动的虚 拟对象的计时进行比较以确定是否撞击了该虚拟对象，并且如果撞击，为撞击 点；以及(e)输出与所模拟的体育动作相关的信息；(f)其中，启用网络的显 示器是一个与该移动装置分开且唯一的装置并且其当用户移动该移动装置以模 拟该体育动作时可以该移动装置的该用户观察到；该启用网络的显示器和该移 动装置通过互联网连接到一个基于云的引擎；以及该基于云的引擎对玩游戏进 行管理并且至少部分地对步骤(d)的表现负责。该启用网络的显示器可以是计 算机、平板计算机、启用网络的电视其中之一、和可以连接到互联网的另一种 移动装置。在一个实施例中，该游戏涉及被投掷或击打的对象，并且该虚拟对 象为棒球、网球、短柄墙球、乒乓球、冰球、以及羽毛球其中之一。显示该虚 拟对象可以包括在该启用网络的显示器上显示视频、子画面、动态图片、或动 画。在一个实施例中，使用网络时间协议(NTP)使该基于云的引擎、该启用 网络的显示器、以及该移动装置的时钟同步。在一个实施例中，比较计时包括 使用插值法确定该撞击点。

在一个实施例中，该方法进一步包括(g)响应于所模拟的体育动作而在该 启用网络的显示器上显示虚拟对象飞行。该虚拟对象飞行可以是例如高尔夫球 飞行、棒球飞行、网球飞行、或乒乓球飞行。在一个实施例中，该方法进一步 包括(h)在该启用网络的显示器上显示与该虚拟对象的交互。这种交互可以包 括接住或击打该虚拟对象，可以使用视频、子画面、动态图片、以及动画其中 之一显示这种情况。该交互可以包括该虚拟对象被击打回该用户，从而使得步 骤(h)后，可以重复步骤(b)至(f)以提供一次玩游戏体验。

本披露的另一个方面涉及一种用于分析体育动作的系统，该系统包括一个 移动装置，该移动装置包括一个存储器、一个处理器、以及一个集成多轴陀螺 仪。该移动装置被配置成用于确定一个模拟体育动作的起点；从涉及该移动装 置在该起点处和在沿着一条模拟该体育动作的路径的移动过程中的定向的陀螺 仪获得陀螺仪测量结果；使用所获得的陀螺仪测量结果确定与一个虚拟对象的 一个撞击点和该移动装置在该撞击点周围的速度；以及输出与所模拟的体育动 作相关的信息。在一个实施例中，该移动装置附装到一个辅助装置(例如，高 尔夫球杆或加重的高尔夫球握把)上。

本披露的另一个方面涉及一种用于分析体育动作的系统，该系统包括一个 移动装置，该移动装置包括一个存储器、一个处理器、以及多个集成动作传感 器。该移动装置被配置成用于确定一个模拟体育动作的起点，通过被静止握持 一段预先确定的时间长度的该移动装置指示该起点；从涉及该移动装置在该起 点处和在沿着一条模拟该体育动作的路径的移动过程中的定向的动作传感器获 得动作结果；使用所获得的与该移动装置沿着至少两个周的定向相关的动作数 据确定与一个虚拟对象的一个撞击点；以及通过该移动装置输出与所模拟的体 育动作相关的信息。在一个实施例中，该移动装置附装到一个辅助装置。

还想到了本发明的其他方面和实施例。上述概述和以下详细描述并不旨在 将本发明限制到任何具体的实施例，而仅仅是为了对本发明的一些实施例进行 描述。

附图说明

图1展示了一个移动装置的内置动作传感器测量的各种类型的转动移动；

图2展示了一种使用该移动装置的动作传感器对体育动作进行分析的系 统；

图3展示了在对确定挥杆动作精确度有用的示例性全力高尔夫球挥杆动作 过程中的移动装置的劈起和滚动；

图4(a)展示了一种用于计算全力高尔夫球挥杆的球杆头速度的技术；

图4(b)展示了一种用于计算高尔夫球削球的球杆头速度的技术；

图5展示了使用移动装置的劈起数据确定撞击点和杆头通过该撞击点时的 速度；

图6展示了使用在示例性全力高尔夫球挥杆动作过程中的移动装置的劈起 和滚动来确定撞击点；

图7(a)至图7(c)展示了分别在示例性全力高尔夫球挥杆、削球、以及推杆 过程中移动装置的劈起的变化；

图8展示了在示例性网球挥杆或坐姿水平高尔夫球挥杆过程中移动装置的 劈起偏转和滚动的变化；

图9展示了棒球挥杆的偏转、滚动和劈起；

图10展示了保龄球动作的劈起、滚动和偏转；

图11展示了安装到一个辅助装置上的示例性移动装置支座；以及

图12(a)至图12(c)展示了被放置到辅助装置上的图11的移动装置支座。

具体实施方式

如在此所使用的，移动装置是指具有一个微处理器、存储器和多个集成动 作传感器的手持式装置。

如在此所使用的，校准点是指在体育动作开始前在准备位置上的移动装置 的时间和空间位置。

如在此所使用的，撞击点是指与虚拟对象撞击的时间和空间位置。

如在此所使用的，释放点是指虚拟对象的释放的时间和空间位置。

在一些体育中，如高尔夫球，撞击点和释放点在时间和空间上可以是同一 物理位置。然而，在其他体育中，撞击点和释放点可以不重合。例如，在长曲 棍球中，长柄球棍(球在撞击点撞击长曲棍球球棍)接住球并且稍后从一个不 同位置(在释放点)从该球棍投掷该球。此外，在一些体育中，由于没有撞击 点，所以只有释放点。例如，在飞蝇钓中，通过将角动量分给钓竿的手腕甩动 而出现释放点，其在某一最大值以上引起加重鱼钩从钓竿释放。

图1展示了移动装置10(如苹果iPhone4Gs、苹果触控式iPod、或三星 Galaxy III智能电话)的内置动作传感器测量的各种类型的转动移动。移动装置 10的这些传感器包括捕捉X，Y和Z加速度数据(用沿着对应轴的G’s表示) 的加速计、以及当该移动装置移动时(用相对于对应轴的弧度表示)对移动装 置10的劈起、滚动和偏转进行测量的陀螺仪。现在，这些动作传感器每秒采样 大约100次(100赫兹)，其中(通过或者轮询或者数据推送)使得此数据可用 于移动装置10上加载的应用程序。可以与本发明结合使用的代表性陀螺仪为意 法半导体有限公司(STMicroelectronics,Inc.)制造的L3G4200D陀螺仪。然而， 应理解到，本发明并不局限于当前可用的动作传感器技术。

图2展示了一种用于分析体育动作的系统100。如所示，该用于分析体育 动作的系统100包括一个分析引擎50，该分析引擎可以包括一个移动装置10 的存储器中加载的一个应用程序。可以使用苹果开发工具套装(包括使用 Xcode、Interface Builder和iPhone模拟器开发工具)或通过面向对象的C语言 (Objective C)中的定制编程来开发苹果iPhone的这种应用程序。核心动作框 架可以用来获得管理加速计和陀螺仪数据。应理解到，当移动装置10不是苹果 iPhone时，可以使用其他编程技术和工具。例如，当移动装置10为利用安卓 (Android)操作系统的智能电话时，可以使用合适的Android软件开发包(SDK) 来提供应用程序界面(API)用于使用Java编程语言在Android平台上开发应 用程序。

该用于分析体育动作的系统100的一个值得注意的特征在于首先(1)用户 保持移动装置10静止一段预先确定的时间长度(例如，针对高尔夫球，至少1 秒)，这表示移动装置10的“零”校准，这是体育动作的校准点。球员的准备 位置和校准点针对不同的体育将是不同的：针对高尔夫球，准备位置是高尔夫 球挥杆的瞄球位置，针对棒球，准备位置是球在虚拟球座上的位置，在网球和 乒乓球中，准备位置可以是挥杆前的球拍的静止位置。

应注意到，校准点不需要是移动装置10静止保持在同一位置上持续一秒所 在的特定准备位置。针对网球和乒乓球，可以从球员使他或她的双手在打球的 准备位置上的任一点获得校准点，和/或可以按照先前体育动作的终点或校准点 选择校准点。

然后，用户进行挥杆(2)，并且在该挥杆(例如，通过轮询)过程中通过 分析引擎50获得动作传感器数据。接下来，分析引擎50检测挥杆类型(3)。 可以或者由用户通过移动装置10的屏幕(例如，从列出‘全力高尔夫球挥杆’、 ‘削球’、‘推杆’的下拉菜单中选择)输入挥杆类型或者基于动作特征和或许 还有另个因素(如，高尔夫球情况下的球杆选择，例如，选择挖起杆，并且该 动作特征显示用户仅向后摆30度，所以挥杆类型为削球)检测挥杆类型。然后， 分析引擎50检测与虚拟对象的撞击和/或释放点(4),分析动作特征以计算动作 变量(针对高尔夫球，挥杆速度和挥杆精确度)(5)，以及确定关键输出参数(针 对高尔夫球，球飞行距离)(6)。最后，可以在移动装置10(7)或分开的启用 网络的显示器上的图形输出端上显示关于挥杆的信息。可替代地，或此外，关 于挥杆的信息可以被用作至游戏系统的输入，如2012年5月2日提交的Jeffery 等人的题为“带有移动电话动作传感器输入的基于网络的体育游戏平台 (Web-Based Sports Game Platform With Mobile Phone Motion Sensor Input)”的 序列号61/641,825共同未决申请中所披露的，该申请通过引用结合于此。

本发明的这些或其他新颖要素将从高尔夫球挥杆体育动作以及然后关于包 括棒球和保龄球的其他体育动作的背景下的以下本发明的详细描述中变得明 显。然而，应理解到，以下示例并不是限制性的。

高尔夫球示例

图3展示了示例性全力高尔夫球挥杆过程中的移动装置10的劈起和滚动。 本发明的一个重要要素是对移动装置10进行以下校准：在瞄球位置(位置1) 上保持移动装置10静止。然后，劈起动作特征在后摆(位置2)上增加，并且 在高尔夫后摆的顶部具有局部最小值(位置3)。然而，最小值(位置3)是转 动大于180度的劈起动作传感器的人为现象。实际上，劈起在后摆的顶部继续 增加到最大值，大于180度。然而，传感器的局限性将动作特征约束到0到180 度。如所示，劈起数据在后摆(位置4)中继续减少，回到撞击点(位置5)。

精确度分析

应注意到，在撞击点(位置5)，移动装置10已经返回初始校准点(位置1) 附近，该点对于高尔夫而言是在与虚拟高尔夫球撞击时的手位置并且为一个局 部最小值。针对高速高尔夫球挥杆，由于陀螺仪的分辨率极限，在该撞击点处 的最小值不恰好返回至校准零。确定撞击点至关重要，因为移动装置10在此点 处的滚动限定了球杆的左旋球或右旋球。换言之，撞击点在确定球棒或球拍的 左旋球和右旋球中是至关重要的，和/或释放点在投掷或抛投体育中是至关重要 的。从撞击点开始，高尔夫球挥杆动作继续完成随球动作，位置(6)和(7)。

总之，随着高尔夫球手移动完成其挥杆动作，劈起数据，或当看屏幕(X 轴)(见图1)时绕着将移动装置10切成顶半部分和底半部分的轴的转动为最 有说服力的数据流。可以在接近开始校准点(当高尔夫球手在其准备位置上时， 通过挥杆动作前所花费的一秒(例如)过程中通过取所有电话位置/定向数据的 平均值来将该开始校准点定义为“零”)的主要最小值处找到撞击。为了引出上 下文，在高尔夫球手的挥杆动作中，随着高尔夫球手开始其后摆、当他或她挥 动完成撞击时返回校准，出现劈起数据，然后随着他或她移动进入其随球动作， 其再次出现。撞击是最靠近准备或校准点的劈起位置。

在一个实施例中，使用爬虫算法，全力高尔夫球挥杆的撞击点被选择成为 劈起的第二最小值。在另一个实施例中，可以通过使该最小值与Z轴加速度的 峰值对齐来确认该最小值。当找到劈起的不止一个主要最小值时，被选为撞击 的最小值通过具有最大Z轴加速度的点来确定。本确认步骤在如下情况下有所 帮助：高尔夫球手的后摆或随球转动如此大(从准备开始接近360度的转动) 以至于陀螺仪完全翻转并且创建接近校准的额外最小值。

一旦发现撞击，通过从校准时的滚动数据减去撞击时的滚动数据来确定挥 杆动作精确度。滚动数据、或当观看屏幕(Y轴)时绕着将电话切成左半部分 和右半部分的轴的转动描述了球杆头上的“开放和封闭”杆面。图3示出了滚 动数据的展开图。返回负差值的挥杆动作意味着用户在撞击时转动过大，其暗 示了撞击时的封闭杆面和取决于该量值的结果左曲球或左旋球。返回正差值的 挥杆动作意味着用户在撞击时转动过小，其暗示了撞击时的开放杆面和结果右 曲球或右旋球。返回一个近似零值的挥杆动作意味着撞击时球杆面非常紧密匹 配校准定向并且暗示着直线球飞行。

速度分析

球杆头速度对于高尔夫而言在定义球飞行距离中是一个关键参数。高尔夫 球杆制造商具有经验表，这些经验表详细描述了以特定挥杆速度下移动的球杆 头所击打的高尔夫球的球飞行距离。这种表还将球杆类型(例如，一号木杆、5 铁杆、推杆)、球杆头斜角、杆身刚度、以及其他影响球飞行的变量考虑在内。

由于体育动作的力学，挥杆速度是一项复杂的计算。挑战在于这些传感器 测量双手的动作，而我们对计算虚拟体育设备(如高尔夫球杆头)的速度感兴 趣。使用合适安装的体育设备以专业运动员进行了大量试验来理解手和手臂动 作如何转换成动作传感器数据输出。虽然展示了对高尔夫球的分析，但应认识 到本方法可以是对其他体育动作的概括，如棒球、网球、保龄球、篮球、美式 足球和乒乓球体育中找出的那些。

图4展示了(a)高尔夫球全力挥杆和(b)削球(其为短挥杆)的挥杆动 作要素。如果恰好与双臂成一条线挥动球杆，则该移动装置速度V与球杆头速 度(V_球杆头)关系如下：

V_球杆头＝V×(臂长+球杆长度)/臂长  (1)

然而，专家球员使其手腕合页并转动其前臂来提高球杆头通过球的速度。 这些合页和转动动作可以动态地提高球杆头通过撞击时的速度，从而使得方程 式(1)大多数高尔夫球手的高尔夫球挥杆速度的估值下的总数。然而，由于没 有手腕的合页，对推杆是有益的。

图5具体地展示了如何针对高尔夫球挥杆计算移动装置10的速度。针对一 个示例性全力高尔夫球挥杆动作，以图形方式展示了移动装置10的劈起的动作 特征。以下用挥杆动作上标记的劈起数据中的点(4)、(5)和(6)示出了相应 体育动作。我们首先找到劈起数据中的撞击点，被定义为挥杆动作的底部处的 劈起的局部最小值(点5)。然后，我们以60度在劈起数据中向前和向后观看。 这些采取正确手腕合页的数据点与挥杆动作中的位置(4)和(6)对齐。一般， 这两个位置之间经过约十分之一秒，从而使得鉴于球员的臂长，我们可以通过 除以120度的弧长来得出移动装置10的在撞击周围的速度，其中该弧的半径等 于该臂长乘以所经过的时间量值：这得出移动装置10的速度(手速度)。由于 挥杆长度减少，可以使用一种类似的方法用于以55度或以下的更短弧长进行削 球。

在使用高速视频计时情况下，已经发现，一号木杆球杆头速度可以慢到手 速度的2.4倍(这是在用刚臂挥动球杆的用户的情况下)或快到手速度的6倍 (在世界级专业高尔夫球手的情况下)。这两个乘数之间的差值来自前臂转动与 手腕合页的组合，其允许高尔夫球手迫使球杆头在其使双手在撞击周围行进通 过90度弧长所用时间内行进通过大得多的弧长(有时甚至接近180度)。我们 所选择的乘数直接受到Z轴和Y轴(偏转和滚动)上的通过撞击的陀螺仪加速 度的驱动，这些轴分别解释手腕合页和前臂转动。

从用iPhone4和4s进行的详细试验中发现，陀螺仪特别精确，从而使得滚 动数据非常好地预测近似半度内的左旋球或右旋球。然而，来自iPhone4的加 速计数据是“嘈杂的”，并且在整个高尔夫球挥杆中不特别精确，但针对测量撞 击周围的前臂转动速率效果良好。这就是我们将挥杆动作分成多个部分并通过 撞击计算移动装置的平均速度V的原因：

$V=\frac{D_2-D_1}{t_2-t_1}---\left(2\right)$

其中D₂-D₁为图5中的点(4)和(6)之间的距离；并且t₂–t₁为经过该距 离D₂-D₁花费的时间。更短的距离是优选的，因为这能够实现撞击点处的瞬时 速度的更接近的近似值。然而，当前陀螺仪的0.01秒分辨率需要我们使用120 度的弧。未来，随着陀螺仪的采样分辨率的提高，30度的弧或更小的弧将是优 选的。

方程式(2)是电话的实际瞬时速度的近似值，并且仅是高尔夫球杆头的速 度的第一阶近似值，因为其不包括上述手腕合页或前臂转动。通过用高速视频 摄像机进行详细试验，我们能够为这些变量找出多个乘数，其结果是针对各种 挥杆类型将球杆头速度计算在+/-10％内。在理想条件下，我们可以从球杆头 速度预测球飞行距离。

我们预想加速计的数据质量输出在基于iPhone或Android的电话的未来版 中将显著提高。在本发明一个实施例中，通过对从后摆的顶部(tbs)到该移动 装置的零(t0)的加速度求积分来计算移动装置10(具有一个足够精确的加速 计)在撞击时的速度。

$V_x={\int }_{t_{\mathrm{bs}}}^{t_0}{a}_x\mathrm{dx}$

$V_y={\int }_{t_{\mathrm{bs}}}^{t_0}{a}_y\mathrm{dy}$

$V_z={\int }_{t_{\mathrm{bs}}}^{t_0}{a}_z\mathrm{dz}---\left(3\right)$

其中撞击时的移动装置的总速度：

$V=\sqrt{{V_x}^2+{V_y}^2+{V_z}^2}---\left(4\right)$

其中t₀–t_bs为从劈起数据测量的后摆的顶部(t_bs)处的最小值与撞击时该摆 动的底部处的零之间的时间。t₀在使用一个第四阶龙格-库塔算法的软件内计算 积分。例如，见William H.出版社等，数值算法，第三版：科学计算领域，2007 年。

速度分量向量(4)难于精确用加速计的当前版本计算，因为内置式加速计 具有嘈杂的输出，因此是我们当前使用该平均方法方程式(2)的原因。挥杆动 作上的数据被呈现给用户并是该应用程序的本地数据并被存储在用户的账户中 的一个服务器上，以供挥杆一致性改进的纵向比较。

用户还可以通过托架将电话附装到其高尔夫球杆上并针对距离和精确度将 实际实践挥杆动作与所计算的挥杆动作进行比较。当电话附装到球杆上时，我 们使用类似的分析，但主要由于用户挥动高尔夫球杆速度比电话慢，乘数不同， 电话比高尔夫球杆更轻，所以人的双手自然行动更快。

作为挥杆分析的附加示例，我们考虑推杆，而不是高尔夫球杆的全力挥杆。 PING公司之前已经创造一种用于推杆的iPhone应用程序。然而，其现有技术 发明具有三个显著的局限性：其方法(1)需要附装到推杆上，(2)需要与物理 球撞击，以及(3)对长推杆(大于大约20英尺)不精确。

在此描述的方法不具有这些局限性中的任何局限性。类似于上述全力挥杆， 用户握住移动装置10犹如其是一个推杆，并且保持静止一秒后，其振动：电话 准备就绪。然后，用户推击一个假想(虚拟)球。与全力挥杆相比，来自电话 的劈起数据现在是在撞击时具有一个最小值的相对平滑的正弦波函数。以与全 力高尔夫球挥杆类似的方式分析推杆行程，但其中从方程式2计算平均速度， 其中D₁和D₂为通过与球的撞击时的回拉和行程的对应最大距离。推杆行程的 优点在于函数是平滑的，并且与全力高尔夫球挥杆相比，速度相对缓慢。因此， 方程式(3)和(4)还可以用于计算撞击时的瞬时速度，我们使用两种方法，方 程式(3)的积分法和来自方程式(2)的平均速度，针对与球撞击时推杆头处的 速度，具有用于推杆的长度的标度乘数，见方程式(1)。针对长推杆，该加速 度方法变得越来越不精确，因此，该平均速度方法用从经验测量结果导出的乘 数提供更好的结果。

假设理想条件下，可以从推杆头的速度计算球行进的距离。然而，最重要 的是，我们能够在不撞击物理球的情况下量化撞击时(类似于全力挥杆的左旋 球或右旋球)的电话滚动角差。我们还可以分析陀螺仪加速度数据的错误，如 通过推杆、或左拉或右推的减速度(从加速度的第二积分和滚动数据的组合识 别这后两个错误)。关于挥杆动作精确度的数据也被呈现给用户并是该应用程序 的本地数据并被存储在用户的账户中的服务器上，以供推杆一致性改进的纵向 比较。

多传感器撞击检测

以上描述了一种用于使用移动装置10的单类型转动数据(劈起)检测与虚 拟对象的“撞击点”的技术。针对特定于体育动作类型的特性分析体育动作(例 如，全力高尔夫球挥杆动作)的特征(劈起数据作为时间的函数)。体育动作特 征的先验结构对隔离虚拟撞击点的时间和空间位置是有必要的。在另一个实施 例中，我们将我们的发明概念延伸至能够针对许多不同的体育动作特征合针对 大范围动作检测撞击点。

图6展示了示例性全力高尔夫球挥杆过程中的移动装置的劈起和偏转的变 化。在这种情况下，所使用的移动装置为苹果iPhone4Gs。本发明的一个重要 要素是对移动装置10进行以下校准：在瞄球位置(位置1)上保持移动装置10 静止。然后，劈起动作特征在后摆(位置2)上增加，并且在高尔夫球后摆的 顶部具有局部最小值(位置3)。然而，最小值(位置3)是转动大于180度的 劈起动作传感器的人为现象。实际上，劈起在后摆的顶部继续增加到最大值， 大于180度。然而，传感器的局限性将动作特征约束到0到180度。如所示， 劈起数据在后摆(位置4)中继续减少，回到撞击点(位置5)。

从用高速摄像机进行的详细试验中我们发现虚拟撞击点(5)是劈起的一个 局部最小值，在该最小值处，移动装置已经返回至初始瞄球位置(位置1)附 近。从该撞击点(位置5)开始，高尔夫球挥杆动作继续完成随球动作(位置6 和7)。

确定撞击点是至关重要的，因为电话在此点的滚动限定了球杆、球棒或球 拍的左旋球或右旋球，和/或投掷或抛投体育中的释放点。发明人之前已经使用 爬虫软件对劈起动作特征搜索该第二最小值。然而，本方法不是通用的，因为 不同的挥杆动作具有不同的动作特征。

图7(a)至图7(c)针对三种不同类型的高尔夫球挥杆动作展示了移动装置的 劈起的变化。图7(a)示出了职业高尔夫球手的全力高尔夫球挥杆动作，图7(b) 为高尔夫球削球，以及图7(c)为高尔夫球推杆。虽然撞击点在所有三种情况下 相同，但动作特征非常不同。此外，即时在全力高尔夫球挥杆中，基础动作特 征可以不同。确切地，发现对于打高尔夫球的老年人而言，趋向于简略后摆， 从而使得挥杆特征看上去更像削球。

因此，该搜索单个传感器输出的动作特征的特定特征的爬虫方法产生错误 结果。确切地，在高尔夫球的情况下，职业高尔夫球手的全力挥杆的动作特征 在劈起数据的第二最小值处具有一个撞击点。然而，图7(b)和图7(c)不具有一 个第二最小值；因此，在这些类型的击球中搜索该第二最小值将产生错误。相 应地，使用单类型转动测量结果的动作特征数据获得撞击点的方法具有多个局 限性。在本实施例，我们使用至少两种不同类型的转动测量结果(例如，高尔 夫中的劈起和偏转)来计算撞击点和/或释放点以克服这种情况。

再次参照图6，示出了该移动装置通过高尔夫球挥杆的偏转。在高尔夫球 和棒球挥杆情况下，该偏转通过撞击点(5)时迅速变化。图6还示出了该偏转 的相应导数或斜率。这些数据量化了偏转传感器数据的变化速率。应注意到， 针对高尔夫球挥杆，最大变化速率靠近撞击点(5)。因此，使用劈起和偏转动 作传感器数据两者，可以通过寻找劈起动作数据的具有最大偏转导数的最小值 (偏转的变化)来隔离撞击区。该方法对所有类型的高尔夫球挥杆动作都起作 用，并且能够针对如图7(b)和图7(c)中所示的那些削球和推杆检测精确的撞击 点。

本技术可通用于其他类型的体育动作。图8为网球正手、或坐姿水平高尔 夫球挥杆动作的示例。在本示例中，挥杆路径为水平平面，但其中前臂转动和 手腕合页在撞击周围。因此，该动作特征与站立高尔夫球挥杆不同，并且图8 中的劈起的撞击点现在是劈起数据的零交叉。挑战是检测正确的零交叉。在本 示例中，偏转是撞击点附近的局部最大点。因此，再次使用两种类型的转动测 量(劈起和偏转)，见图8，“劈起”和“偏转”，在劈起这种情况下，我们可以 更精确地且更小的错误从单个传感器检测撞击点。在网球挥杆情况下，见图8 “滚动”，撞击点处的滚动数据可以用来计算给予网球的左自旋或右自旋。

棒球和保龄球示例

为了说明优选实施例，其中体育动作可以(1)与移动的虚拟对象交互并且 其中(2)释放点和撞击点与校准点不同，我们为棒球和保龄球提供了示例。

图9中展示了棒球挥杆动作传感器数据。对于棒球挥杆而言，校准点是在 双手中的伸出在身体前面的移动装置10的准备位置，其中拇指指向成以便使该 移动装置(虚拟球棒)与虚拟球座上的球对齐；双手垂直于地面。图9中所示 的数据来自职业运动员并且展示了一个最佳棒球挥杆动作的必不可少的特征。 对于棒球体育动作而言，偏转是关键变量，因为当挥动“球棒”通过与虚拟球 的撞击点时，理想的手位置是其中手掌平行于地面，这引起该移动装置通过撞 击时的偏转的快速变化。在校准点处的偏转为零；因此，当偏转横跨零时是撞 击点，(见图9“偏转”)，即时相对于该校准点转动移动装置九十度。在理想的 棒球挥杆中，撞击点后就发生球棒的滚动(见图9“滚动”)。在撞击点具有滚 动最大值的情况下，手腕具有将球棒升起在球的顶部上方的倾向，从而引起落 地球或没接着球：即“挥杆泡沫”。

移动装置10的劈起和偏转合起来提供对球棒通过撞击点时的角度的深刻 理解。例如，图9中的劈起数据示出了双手在冲击点走下坡路，因为该劈起在 该撞击点是负的并且直到该撞击点之后才返回至零，并且因此如果虚拟球投掷 在校准点以下(即，在好球区的下半部分中)，球棒将接触该虚拟球。

Jeffery等人的61/580,534和Jeffery等人的61/641,825已经披露了一种使用 多个显示器的方法，其中可以使用启用网络的显示装置(如启用网络的TV)显 示虚拟体育教学和/或游戏，该显示装置与该移动装置分开并且不同，并且通过 基于云的软件引擎协调使用该移动装置和该启用网络的显示装置的虚拟体育教 学和/或游戏的演示。相应地，例如，可以在物理地与该移动装置分开的并且响 应于该移动装置动作传感器输出的显示装置上呈现动画、课程和其他视频。

作为棒球的本实施例的示例，球员(1)站在其HTML5启用网络的TV前 面并对如上所述移动装置进行校准。(2)然后他们看到投手投掷球的显示视频 或动画(其可以包括子画面或动态图片或其他视觉增强)，该启用网络的TV的 屏幕被定位成使得投手直接出现在击球员的前面。该基于云的软件引擎(3)使 劈起的时间同步并将其余球员的挥杆(4)的时间进行比较，并且在该移动装置 上分析球员动作传感器数据并将其发送至该基于云的软件引擎。

可以从t_球飞行＝d/v计算虚拟劈起到到达球员花费的时间t_球飞行，其中d为从 投手到本垒板的距离(举例来讲，针对大联盟棒球为60.5英尺，或针对小联盟 为45英尺)并且v为投球的速度。假设大联盟棒球中为95mph，则棒球从投 手到本垒板的飞行时间为.43秒。即，t_球飞行＝.43秒。该基于云的引擎将投掷的 投球的时间戳t_劈起加t_球飞行与撞击点的时间戳t_撞击点进行比较。如果它们与预先确 定的时间间隔一致

Δt＝|t_撞击点-(t_劈起+t_球飞行)|  (5)

小于或等于δ秒，例如，0.15秒，则假设虚拟球棒已经击中虚拟球，并且 (6)可以通过该基于云的软件引擎在该启用网络的显示器上渲染球飞行的动 画。然而，如果Δt>δ秒，则假设虚拟球棒没有击中虚拟球并且认为该挥杆是 好球。

优选地，体育动作分析和同步使用同步的移动装置10、基于云(或另外联 网)的软件引擎、以及启用网络的显示器，每个具有0.1秒或更小的保真度。 当前网络浏览器使内部时钟的不可靠的本地时钟时间戳和Javascript调用通常 不恰好在相等间隔下轮询。在一个优选实施例中，网络时间协议(NTP)可以 用来在包交换、可变延迟数据网络上使计算机系统同步。我们使用Java Script  NTP客户端来获取客户端(移动装置10和网页)和服务器(基于云的软件引 擎)的时间偏移。这基于精确的外部时钟设置初始协调时间。然后，我们在可 能最高可靠粒度下使用setInterval()调度Java Script回调，该粒度取决于网络浏 览器。我们不假设在可靠的间隔下调用该回调，然而，但反而使用来自该回调 内的调用新Date().getTime()并应用该偏移获得实际协调时间，并且然后内插以 找出投球的实际时间t_劈起和虚拟撞击点t_撞击点。然后使用这些数据计算方程式 (5)。

因此，我们的方法是可通用的并且可延伸至体育动作撞击移动的虚拟对象 的使用情况(如棒球或网球)并且可以类似地应用于网球、羽毛球、乒乓球、 短柄墙球、曲棍球、篮球、美式足球、以及虚拟体育对象(例如，球、冰球、 羽毛球)在移动中并且然后被体育动作或球员虚拟体育设备击打、投掷或接住 的所有其他类似体育。

作为最后的示例，我们考虑在释放点与校准点和撞击点两者都不同的使用 情况。图10展示了用于保龄球体育动作的移动装置动作传感器数据。在本示例 中，校准点是静止、放松并且在球员侧充分延伸的手，其中手掌面朝前。保龄 球动作是首先将虚拟保龄球向上带至下巴，抱在双手中，并且然后向下和向前 挥动同时迈几步。该劈起数据展示了移动装置10的劈起如何随着移动装置10 被向上带至下巴而提高，其中当球员开始向前迈步时具有一个局部最小值。然 后，随着球员在后摆动作中向下挥动，该劈起降低，其中具有一个与初始校准 零相对应的为零的劈起，并且然后该动作过渡到至一个第二零的最后的后摆， 该第二零为虚拟保龄球的释放点。

类似于之前描述的高尔夫球挥杆，可以从方程式(2)计算虚拟保龄球的速 度，并且类似于图5，或通过对方程式(3)进行求积分来计算30或60度劈起 点之间的时间差值。通过释放点的滚动数据的变化速率(滚动的导数)与给予 虚拟保龄球的自旋速率成比例。因此，我们可以计算虚拟保龄球在释放点处的 速度和自旋。

在本示例中，应注意到，释放点在空间上不同于校准点，并且从释放点进 一步移除撞击点。在本示例中，释放点出现在虚拟空间中。使用之前描述的用 于棒球的基于云的系统，可以在HTML5启用网络的显示器(如网络电视)上 的虚拟保龄球道上显示保龄球，并且鉴于虚拟保龄球的速度和自旋以及虚拟保 龄球球道的长度在时间和空间上模拟与球柱的撞击。因此，球员执行虚拟保龄 动作，并看到虚拟保龄球走下球道并击中该启用网络的显示器上的球柱，其中 通过从移动装置的挥动特征计算的速度和自旋确定路径和速度并且其在时间上 被同步以看似好像一个连续动作。

附装到辅助装置上

迄今，本发明的说明书已经被局限于使用移动装置10来模拟将移动装置 10握在他或她的手中并以某种方式(例如，犹如高尔夫球杆一样挥动移动装置 10)移动移动装置10的用户的体育动作。然而，例如，高级球员可以发现令人 希望的是感觉如高尔夫球、棒球、网球或飞蝇钓等体育中的体育设备的握把。 在高尔夫球的情况下，对于右利手球员而言，高级球员在球杆上具有一种握把 使得左手从中心朝身体转动大约20度。这种高尔夫球杆手柄上的握把使球杆头 能够在通过撞击时更封闭，这进而使得更容易使高尔夫球左曲，即，创造向左 弯曲的球飞行。

涉及体育动作的分析的本发明的方法可以概括为还包括移动装置到体育设 备上的附装，或到模拟体育设备的加重握把上的附装。

作为示例，图11示出了用于将移动装置10固定安装在辅助装置30上的移 动装置支座20，该辅助装置在所示实施例为加重高尔夫球握把但反而可以是 (针对高尔夫球)物理高尔夫球杆。在一个实施例中，辅助装置30由24英寸 长的钢或石墨高尔夫球杆杆身，其中在一端具有一个高尔夫球握把并且在另一 端具有6盎司的重量18。优选地，整个辅助装置30加重了大约11盎司(类似 于一个高尔夫球杆一号木杆)，并且质心大约距离该重量186到8”英寸，以便 模拟一个实际高尔夫球杆，实际高尔夫球杆通常具有更接近于球杆头的大约在 1/4-1/3杆身长度的质心。出于说明目的呈现了图11并且其并不旨在是限制性 的。其他体育(如棒球、网球、以及飞蝇钓)将具有不同的辅助装置，但握把、 加重和质心更精确地模拟实际体育设备，和/或移动装置可以通过支座20附装 到实际体育设备上。

参照图12(a)，移动装置支座20包括一个二件式组件，该组件包括一个C 形耦合器24和一个框架22。如所示，框架22为矩形的并且包括一对开槽侧25 和一个开口端27。C形耦合器24被结构化成以便紧密地安装在辅助装置30周 围(如所示)。如所示，框架22包括一个孔23。孔23的大小被设置成用于容 纳C形耦合器24的领翼26，该耦合器被安装通过孔23从而使得相对于辅助装 置25的纵轴垂直定位框架22，如图12(b)中所示。然后，框架22被转90度从 而使得开口端27指向远离球杆头，如图12(c)中所示。一旦转90度，领翼26 沉入框架22内侧模制的口袋28内。一旦领翼26固定，移动装置10就可以滑 入到该框架内，开槽侧25提供一个安全摩擦拟合。在一个实施例中，框架22 所用的材料包括硬聚碳酸酯，最优选地与聚碳酸酯一起的共模制硅，以便增强 与移动装置10的摩擦拟合。然而，应理解到，各种其他材料可以满足，如不锈 钢、铝、或另一种金属；聚乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚氯乙烯、 以及尼龙、或另一种塑料。进一步地，应理解到，介绍移动装置10安装到辅助 装置30上的具体方式(即，使用移动装置支座20)出于说明性目的，而并不 旨在是限制性的。

如所提到的，本发明的一个重要特征在于不要求与物理体育对象(如高尔 夫球或网球)的撞击。然而，在各实施例中，球员可以将移动装置10附装到一 个辅助装置上以击打物理球。举例来讲，用附装到实际体育设备上的移动装置 10进行了详细试验，其中职业运动员击打物理体育对象以便验证本发明中所述 的方法。

虽然已经结合以上概括的各示例性实施例描述了本发明，但明显的是，许 多替代方案、修改和变化将对本领域的技术人员而言是明显的。相应地，如上 所述的本发明的示例性实施例旨在是说明性的而非限制性的。可以在不脱离本 发明的精神和范围的情况下做出各种变化。