JP2014182032A - Rotation estimation system of rotary flying body, rotation estimation method, and rotation estimation program - Google Patents
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Abstract
【課題】回転パラメータを精度良く推定する。
【解決手段】回転推定システム1は、回転を伴って飛翔する球体10に対して三軸の方向から電磁波を照射し、球体10からの反射電磁波を受信して、三軸の反射電磁波の受信強度に関する時系列情報を計測する測定装置5と、三軸の時系列情報を周波数情報にそれぞれ変換する計算装置6の周波数領域変換部61と、三軸の周波数情報におけるピーク間隔Δfx、Δfy、Δfzをそれぞれ特定する閾値処理演算部62と、特定された三軸のピーク間隔に基づいて、球体10の三軸の角速度ωx,ωy,ωzを推定する角速度分離部64と、三軸の角速度を成分とする角速度ベクトルωの大きさを球体10の回転速度として、また、角速度ベクトルωの方向を球体10の回転軸位置として出力する角速度ベクトル導出部66と、を備える。
【選択図】図2A rotation parameter is accurately estimated.
A rotation estimation system (1) irradiates a sphere (10) flying with rotation with electromagnetic waves from three directions, receives reflected electromagnetic waves from the sphere (10), and receives reception strength of the three-axis reflected electromagnetic waves. A measuring device 5 that measures time series information about the frequency, a frequency domain conversion unit 61 of a calculation device 6 that converts three-axis time series information into frequency information, and peak intervals Δf x , Δf y in the three-axis frequency information, a threshold processing operation section 62 for specifying a Delta] f z, respectively, based on the peak interval triaxial specified, the angular velocity omega x of the three axes of the spheres 10, omega y, and angular separation unit 64 for estimating the omega z, three An angular velocity vector deriving unit 66 that outputs the magnitude of the angular velocity vector ω having the angular velocity of the axis as the rotational speed of the sphere 10 and outputs the direction of the angular velocity vector ω as the rotational axis position of the sphere 10.
[Selection] Figure 2
Description
本発明は、回転飛翔体の回転推定システム、回転推定方法、及び回転推定プログラムに関する。 The present invention relates to a rotation estimation system, a rotation estimation method, and a rotation estimation program for a rotating projectile.
従来、例えば投球時の野球ボールや打ち出し後のゴルフボールの軌道、回転速度、回転方向など、回転を伴って飛翔する回転飛翔体の回転パラメータを計測する手法が知られている。例えば特許文献1には、ドップラーシフトから球体の回転速度及び軌道を求める技術が開示されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, for example, a technique for measuring a rotation parameter of a rotating flying object that flies with rotation, such as a trajectory, a rotation speed, and a rotation direction of a baseball ball at the time of pitching or a golf ball after launch, is known. For example,
しかしながら、従来の回転飛翔体の回転パラメータを計測する手法では、回転パラメータの計測精度にさらなる改善の余地があった。 However, the conventional method for measuring the rotation parameters of the rotating projectile has room for further improvement in the measurement accuracy of the rotation parameters.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、回転飛翔体の回転パラメータを精度良く推定できる回転飛翔体の回転推定システム、回転推定方法、及び回転推定プログラムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a rotation projectile rotation estimation system, a rotation estimation method, and a rotation estimation program capable of accurately estimating the rotation parameters of the rotation projectile. .
上記課題を解決するために、本発明に係る回転飛翔体の回転推定システムは、回転を伴って飛翔する回転飛翔体の回転速度及び回転軸位置を推定する回転推定システムであって、前記回転飛翔体に対して三軸の方向から電磁波を照射し、前記回転飛翔体からの反射電磁波を前記三軸で受信して、前記三軸の反射電磁波の受信強度に関する時系列情報を計測する計測手段と、前記計測手段により計測された前記三軸の時系列情報を周波数情報にそれぞれ変換する変換手段と、前記変換手段により変換された前記三軸の周波数情報におけるピーク間隔をそれぞれ特定するピーク間隔特定手段と、前記ピーク間隔特定手段により特定された前記三軸のピーク間隔に基づいて、前記回転飛翔体の前記三軸の角速度を推定する角速度推定手段と、前記角速度推定手段により推定された前記三軸の角速度を成分とする角速度ベクトルの大きさを前記回転飛翔体の回転速度として、また、前記角速度ベクトルの方向を前記回転飛翔体の回転軸位置として出力する出力手段と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a rotation estimation system for a rotating projectile according to the present invention is a rotation estimation system that estimates a rotation speed and a rotation axis position of a rotating projectile that flies with rotation, and the rotation flight Measuring means for irradiating the body with electromagnetic waves from three axial directions, receiving reflected electromagnetic waves from the rotating flying object with the three axes, and measuring time-series information regarding the reception intensity of the three-axis reflected electromagnetic waves; Conversion means for converting the three-axis time series information measured by the measurement means into frequency information, and peak interval specifying means for specifying peak intervals in the three-axis frequency information converted by the conversion means, respectively. And angular velocity estimation means for estimating the three-axis angular velocity of the rotating projectile based on the three-axis peak interval specified by the peak interval specifying means, The magnitude of the angular velocity vector whose component is the angular velocity of the three axes estimated by the degree estimating means is output as the rotational speed of the rotating projectile, and the direction of the angular velocity vector is output as the rotational axis position of the rotating projectile. And an output means.
また、上記の回転推定システムにおいて、前記角速度推定手段は、前記三軸のピーク間隔のそれぞれが、各軸方向から前記回転飛翔体を視た場合の、視点となる軸を除く他の二軸まわりの回転の角速度を合成した回転速度に対応する情報であるとの特性に基づいて、前記回転飛翔体の前記三軸の角速度を推定することが好ましい。 Further, in the above rotation estimation system, the angular velocity estimation means is configured so that each of the peak intervals of the three axes is around the other two axes excluding an axis serving as a viewpoint when the rotating projectile is viewed from each axial direction. It is preferable to estimate the three-axis angular velocity of the rotating projectile based on the characteristic that the information corresponds to the rotational velocity obtained by combining the angular velocity of the rotation.
また、上記の回転推定システムにおいて、前記角速度推定手段は、前記三軸のピーク間隔をそれぞれΔfx、Δfy、Δfz、前記三軸の角速度をそれぞれωx,ωy,ωzと表すとき、下記の数式を用いて前記三軸の角速度を推定することが好ましい。
また、上記の回転推定システムは、前記回転飛翔体の軌道変化を前記三軸の方向から取得し、前記回転飛翔体の飛翔方向から予想される軌道変化と比較することによって、前記角速度推定手段により推定された前記角速度の正負方向を判定する判定手段を備えることが好ましい。 In addition, the rotation estimation system obtains the orbital change of the rotating projectile from the three-axis directions and compares it with the expected orbital change from the flight direction of the rotating projectile. It is preferable to include a determination unit that determines a positive / negative direction of the estimated angular velocity.
また、上記の回転推定システムにおいて、前記判定手段は、前記回転飛翔体からの反射電磁波の測定開始点をP0(x0,y0,z0)、軌道変化前の任意の測定点をPh(xh,yh,zh)、軌道変化後の測定終了点をpi(xi,yi,zi)、前記測定開始点p0から前記測定終了点piまでの前記三軸の軌道変化量をΔx,Δy,Δz、重力加速度をg、初速度をv0、前記三軸の風速をwx,wy,wzと表すとき、下記の判別式によって前記角速度の正負方向を判定することが好ましい。
また、上記の回転推定システムにおいて、前記ピーク間隔特定手段が、前記変換手段により変換された前記三軸の周波数情報から所定の閾値以上のピークを抽出して、隣接するピーク間のピーク間隔を算出し、前記算出したピーク間隔のうち頻度の高いものを抽出し、前記抽出したピーク間隔に基づいて前記ピーク間隔を特定することが好ましい。 Further, in the above rotation estimation system, the peak interval specifying unit extracts a peak having a predetermined threshold value or more from the triaxial frequency information converted by the conversion unit, and calculates a peak interval between adjacent peaks. Preferably, the calculated peak interval is extracted with a high frequency, and the peak interval is specified based on the extracted peak interval.
また、上記の回転推定システムは、表示手段を備え、前記回転飛翔体が球技用ボールであり、前記出力手段により出力された前記球技用ボールの回転速度及び回転軸位置に基づいて、前記球技用ボールの球種または軌道に関する情報を前記表示手段に表示することが好ましい。 The rotation estimation system includes a display unit, the rotating projectile is a ball game ball, and based on the rotation speed and the rotation axis position of the ball game ball output by the output unit, It is preferable to display information on the type or trajectory of the ball on the display means.
同様に、上記課題を解決するために、本発明に係る回転飛翔体の回転推定方法は、回転を伴って飛翔する回転飛翔体の回転速度及び回転軸位置を推定する回転推定方法であって、前記回転飛翔体に対して三軸の方向から電磁波を照射し、前記回転飛翔体からの反射電磁波を前記三軸で受信して、前記三軸の反射電磁波の受信強度に関する時系列情報を計測する計測ステップと、前記計測ステップにより計測された前記三軸の時系列情報を周波数情報にそれぞれ変換する変換ステップと、前記変換ステップにより変換された前記三軸の周波数情報におけるピーク間隔をそれぞれ特定するピーク間隔特定ステップと、前記ピーク間隔特定ステップにより特定された前記三軸のピーク間隔に基づいて、前記回転飛翔体の前記三軸の角速度を推定する角速度推定ステップと、前記角速度推定ステップにより推定された前記三軸の角速度を成分とする角速度ベクトルの大きさを前記回転飛翔体の回転速度として、また、前記角速度ベクトルの方向を前記回転飛翔体の回転軸位置として出力する出力ステップと、を備えることを特徴とする。 Similarly, in order to solve the above-mentioned problem, the rotation estimation method of the rotating projectile according to the present invention is a rotation estimation method for estimating the rotation speed and the rotation axis position of the rotating projectile that flies with rotation, Irradiate the rotating projectile with electromagnetic waves from three directions, receive the reflected electromagnetic waves from the rotating projectile with the three axes, and measure time-series information regarding the reception intensity of the three-axis reflected electromagnetic waves. A measurement step; a conversion step for converting the three-axis time-series information measured in the measurement step into frequency information; and a peak for identifying a peak interval in the three-axis frequency information converted in the conversion step. Estimating the three-axis angular velocity of the rotating projectile based on the interval specifying step and the three-axis peak interval specified by the peak interval specifying step A velocity estimation step, the magnitude of an angular velocity vector having the three-axis angular velocity estimated in the angular velocity estimation step as a rotational velocity of the rotating projectile, and the direction of the angular velocity vector of the rotating projectile And an output step of outputting as the rotation axis position.
同様に、上記課題を解決するために、本発明に係る回転飛翔体の回転推定プログラムは、回転を伴って飛翔する回転飛翔体の回転速度及び回転軸位置を推定する回転推定プログラムであって、前記回転飛翔体に対して三軸の方向から電磁波を照射し、前記回転飛翔体からの反射電磁波を前記三軸で受信して、前記三軸の反射電磁波の受信強度に関する時系列情報を計測する計測機能と、前記計測機能により計測された前記三軸の時系列情報を周波数情報にそれぞれ変換する変換機能と、前記変換機能により変換された前記三軸の周波数情報におけるピーク間隔をそれぞれ特定するピーク間隔特定機能と、前記ピーク間隔特定機能により特定された前記三軸のピーク間隔に基づいて、前記回転飛翔体の前記三軸の角速度を推定する角速度推定機能と、前記角速度推定機能により推定された前記三軸の角速度を成分とする角速度ベクトルの大きさを前記回転飛翔体の回転速度として、また、前記角速度ベクトルの方向を前記回転飛翔体の回転軸位置として出力する出力機能と、をコンピュータに実現させることを特徴とする。 Similarly, in order to solve the above-mentioned problem, a rotation estimation program for a rotating projectile according to the present invention is a rotation estimation program for estimating the rotation speed and rotation axis position of a rotating projectile that flies with rotation, Irradiate the rotating projectile with electromagnetic waves from three directions, receive the reflected electromagnetic waves from the rotating projectile with the three axes, and measure time-series information regarding the reception intensity of the three-axis reflected electromagnetic waves. A measurement function, a conversion function for converting the time-series information of the three axes measured by the measurement function into frequency information, and a peak for identifying a peak interval in the frequency information of the three axes converted by the conversion function, respectively An angular velocity estimator that estimates the three-axis angular velocity of the rotating projectile based on the interval identifying function and the three-axis peak interval identified by the peak interval identifying function The angular velocity vector having the three-axis angular velocity estimated by the angular velocity estimating function as the rotational velocity of the rotating projectile, and the direction of the angular velocity vector as the rotational axis position of the rotating projectile And an output function for outputting as a computer.
本発明に係る回転飛翔体の回転推定システム、回転推定方法、及び回転推定プログラムは、回転飛翔体の回転パラメータを精度良く推定できるという効果を奏する。 The rotation estimation system, the rotation estimation method, and the rotation estimation program according to the present invention have an effect that the rotation parameters of the rotation projectile can be accurately estimated.
以下に本発明に係る回転飛翔体の回転推定システムの実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。 DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of a rotational projectile rotation estimation system according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
[実施形態]
まず、図1、2を参照して、本実施形態に係る回転推定システム1の構成について説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る回転推定システムの概略構成を示す模式図であり、図2は、図1中の制御装置の機能ブロック図である。
[Embodiment]
First, the configuration of the
(回転推定システムの構成)
図1に示すように、回転推定システム1は、回転して飛翔する回転飛翔体10に対して三軸方向から電磁波を照射し、受信される反射電磁波を用いて、この回転飛翔体の回転速度及び回転軸方向を推定するものである。本実施形態では、回転飛翔体10の一例として、野球用ボールなどの球体10を例示する。また、本実施形態では、球体10に電磁波を照射し、反射電磁波を受信する三軸として、球体10を原点として相互に直交するx軸、y軸、z軸を設定する。ここで、z軸は鉛直上方を正方向とし、x軸及びy軸の方向は、このz軸に直交する水平方向とする。球体10は、x軸に沿った初速で、x軸の正方向(図1に「球体移動方向」と示す方向)に飛翔を開始するものとする。
(Configuration of rotation estimation system)
As shown in FIG. 1, the
図1に示すように、回転推定システム1は、x軸レーダ2、y軸レーダ3、z軸レーダ4、測定装置5(計測手段)、計算装置6、記録装置7、出力装置8(表示手段)を備える。
As shown in FIG. 1, the
x軸レーダ2、y軸レーダ3、z軸レーダ4は、それぞれx、y、z軸上に配置され、x、y、z軸方向から球体10に対して電磁波11,13,15を照射して、球体10によって反射された反射電磁波12,14,16を受信する。電磁波は、連続波またはパルス波を用いる。
The
測定装置5は、x軸レーダ2、y軸レーダ3、z軸レーダ4によって得られた反射電磁波12,14,16の受信強度の時間変化(時系列情報)、電波到来時間、受信周波数などを測定する。
The measuring
計算装置6は、測定装置5によって得られた受信信号の周波数領域変換、閾値処理、最頻値処理、角速度分離、角速度ベクトル導出、ドップラーシフト導出、ドップラーシフトあるいは電波到来時間を用いた初速度導出、軌道変化導出、角速度の曖昧さ除去などの処理を行う。
The
計算装置6は、上記の機能に関して、図2に示すように、周波数領域変換部61(変換手段)、閾値処理演算部62(ピーク間隔特定手段)、最頻値処理演算部63(ピーク間隔特定手段)、角速度分離部64(角速度推定手段)、角速度方向判定部65(判定手段)、角速度ベクトル導出部66(出力手段)の各機能を実現するよう構成されている。
As shown in FIG. 2, the
周波数領域変換部61は、測定装置5により取得されたx,y,z軸の時系列情報を周波数情報にそれぞれ変換する。
The frequency
閾値処理演算部62は、周波数領域変換部61により変換されたx,y,z軸の周波数情報から所定の閾値以上のピークを抽出して、隣接するピーク間のピーク間隔を算出する。
The
最頻値処理演算部63は、閾値処理演算部62により算出されたピーク間隔のうち頻度の高いものを抽出し、この抽出したピーク間隔に基づいてピーク間隔Δfx,Δfy,Δfzを特定する。
The mode value
角速度分離部64は、特定されたx,y,z軸のピーク間隔Δfx,Δfy,Δfzに基づいて、球体10のx,y,z軸の角速度ωx,ωy,ωzを推定する。
The angular
角速度方向判定部65は、角速度分離部64により推定された角速度ωx,ωy,ωzの正負方向を判定する。
The angular velocity
角速度ベクトル導出部66は、角速度分離部64により推定されたx,y,z軸の角速度ωx,ωy,ωzを成分とする角速度ベクトルωを導出する。なお、計算装置6の各機能ブロックの処理の詳細については図3などを参照して後述する。
The angular velocity
記録装置7は、計算装置6によって得られた値を保存する装置であり、より詳細には、角速度ベクトル導出部66により導出された角速度ベクトルに関する情報や、この角速度ベクトルから導出できる球体10の回転速度や回転軸方向などの情報を保存する。
The
出力装置8は、計算装置6によって得られた値の出力を行い、ディスプレイへの角速度ベクトル表示や、インターネット配信などを行う。
The
測定装置5、計算装置6、記録装置7、出力装置8は、物理的には、CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、EEPROM(Electrically Erasable and Programmable Read Only Momory)やHDD(Hard Disk Drive)等の記憶装置、装置内外の各部との通信を行なうインタフェース、スイッチ、キーボート、マウスなどの入力装置、ディスプレイなどの表示装置、等のハードウェアを有するマイクロコンピュータである。本実施形態で説明する測定装置5、計算装置6、記録装置7、出力装置8の各機能の全部または一部は、CPU、RAM、ROM等のハードウェア上に所定のアプリケーションプログラムを読み込ませることにより、CPUの制御の元でインタフェース、入力装置、表示装置等を動作させると共に、RAM、ROM、記憶装置におけるデータの読み出し及び書き込みを行うことで実現される。
The measuring
また、上記の測定装置5、計算装置6、記録装置7、出力装置8のアプリケーションプログラム(特に測定装置5や、計算装置6の周波数領域変換部61、閾値処理演算部62、最頻値処理演算部63、角速度分離部64、角速度方向判定部65、角速度ベクトル導出部66に関する機能)を、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に格納しても良く、また、プログラム製品として構成することもできる。ここで、この「記録媒体」とは、メモリーカード、USBメモリ、SDカード、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、EPROM、EEPROM、CD−ROM、MO、DVD、及び、Blu−ray Disc等の任意の「可搬用の物理媒体」を含むものとする。また、アプリケーションプログラムは、回転推定システム1に対して任意のネットワークを介して接続されたアプリケーションプログラムサーバに記憶されていてもよく、必要に応じてその全部または一部をダウンロードすることも可能である。
In addition, application programs (particularly the
(回転推定システムの動作)
次に、図3〜20を参照して、本実施形態の回転推定システム1の動作を説明する。図3は、本実施形態の回転推定システムにより実施される球体の角速度ベクトルの導出処理を示すフローチャートである。図3のフローチャートの処理は、計測対象の球体10が飛翔している間、例えば所定時間ごとに実施される。
(Operation of the rotation estimation system)
Next, with reference to FIGS. 3-20, operation | movement of the
(反射電磁波の計測処理)
ステップS101では、測定装置5により、x軸レーダ2、y軸レーダ3、z軸レーダ4を利用して、x、y、z軸方向から球体10に対して電磁波11,13,15が照射され、球体10によって反射された反射電磁波12,14,16が所定時間分受信される。測定装置5は、x軸レーダ2、y軸レーダ3、z軸レーダ4により受信された所定時間分の反射電磁波12,14,16を用いて、x、y、z軸の反射電磁波12,14,16に関して受信強度の時間変化(時系列情報)を計測する。
(Measurement of reflected electromagnetic wave)
In step S101, the measuring
ここで図4,5を参照して、本実施形態において、反射電磁波12,14,16の受信強度の時間変化を計測する理由について説明する。図4は、野球用軟式球の1回転当りのレーダ断面積の角度変化を示す図である。図4の横軸は、球体10の一例としての野球用軟式球の回転角度(deg)を示し、縦軸はレーダ断面積(dB・m2)を示す。「レーダ断面積(Radar Cross Section :RCS)」とは、物体が電磁波を散乱する度合いを表す量であり、受信電磁波の受信強度に応じて変動するパラメータである。図4に示すように、野球用軟式球の回転角度に応じて、レーダ断面積は不均一に変化する。したがって、球体10の回転の位相変化と、反射電磁波12,14,16の受信強度の時間変化との間には強い相関関係があると考えることができる。本実施形態の回転推定システム1は、最終的に球体10の回転軸方向及び回転速度を推定するものである。これらの推定を精度良く行なうためには、推定のための入力情報として、球体10の回転位相に関する情報を含むことが好ましい。そこで、本実施形態では、球体10の回転位相と強い相関関係にある反射電磁波12,14,16の受信強度の時間変化を利用する構成としている。
Here, with reference to FIGS. 4 and 5, the reason for measuring the temporal change of the reception intensity of the reflected
なお、計測対象のRCSが小さく、他の物体と見分けがつきにくい場合には、例えば特許第5142366号公報に開示される「遊戯用ボール」を使用することもできる。この遊戯用ボールは、8個のコーナーリフレクターを互いに直交するように構成された球体リフレクタである。図5は、この遊戯用ボールの1回転当りのレーダ断面積の角度変化を示す図である。回転推定システム1の計測対象に遊戯用ボールの構成を適用することで、RCSの大幅な改善と角度変化の安定性を図ることができる。また、反射電磁波をレーダで検知しやすくできる。
If the RCS to be measured is small and difficult to distinguish from other objects, for example, a “game ball” disclosed in Japanese Patent No. 5142366 may be used. This game ball is a spherical reflector configured such that eight corner reflectors are orthogonal to each other. FIG. 5 is a diagram showing a change in the angle of the radar cross-sectional area per rotation of the game ball. By applying the configuration of the game ball to the measurement target of the
なお、x軸レーダ2、y軸レーダ3、z軸レーダ4と球体10との間の距離が短い場合には、球体10の移動に応じてx軸レーダ2、y軸レーダ3、z軸レーダ4も移動させ、球体10が常に三軸の原点に配置されるよう球体10を追跡する構成としてもよい。
When the distance between the
球体の追跡手法として、例えば電磁波11,13,15の照射から反射電磁波12,14,16の受信までの到来時間の時間変化を利用することができる。図6は、レーダの球体追跡手法を説明するための図である。図6に示すように、x軸レーダ2、y軸レーダ3、z軸レーダ4における到来時間の時間変化量をそれぞれΔtx,Δty,Δtzとすると、x軸レーダ2、y軸レーダ3、z軸レーダ4と球体10との間の距離の時間変化量ΔRx,ΔRy,ΔRzは下記の(1)式で算出できる。
本実施形態では、球体10は、x,y,z軸から成るxyz座標系において、飛翔中に常に原点に位置するよう設定される。上記(1)式で算出されたΔRx,ΔRy,ΔRzは、xyz座標系における球体10の原点から各軸方向への移動量である。したがって、この移動量に応じて、x軸レーダ2、y軸レーダ3、z軸レーダ4の位置を移動する制御を行うことで、球体10をxyz座標系の原点に維持しつつ追尾することができる。
In the present embodiment, the
例えば、x軸レーダ2の場合、y軸方向の移動量ΔRyが正の場合にはy軸の正方向(図6では「+Ry」と示す方向)に、また、ΔRyが負の場合にはy軸の負方向(図6では「−Ry」と示す方向)に、x軸レーダ2の位置を|ΔRy|分だけ移動する。また、z軸方向の移動量ΔRzが正の場合にはz軸の正方向(図6では「+Rz」と示す方向)に、また、ΔRzが負の場合にはz軸の負方向(図6では「−Rz」と示す方向)に、x軸レーダ2の位置を|ΔRz|分だけ移動する。同様に、y軸レーダ3は、+Rx方向または−Rx方向に|ΔRx|分だけ移動し、また、+Rz方向または−Rz方向に|ΔRz|分だけ移動する。z軸レーダ4は、+Rx方向または−Rx方向に|ΔRx|分だけ移動し、また、+Ry方向または−Ry方向に|ΔRy|分だけ移動する。
For example, in the case of the
また、x軸レーダ2、y軸レーダ3、z軸レーダ4により受信された反射電磁波12,14,16に含まれる球体10以外から発生した雑音は、例えば移動目標指示装置(Moving Target Indicator:MTI)などを用いることによって取り除くことができる。
Further, noise generated from other than the
ステップS101において計測されるx、y、z軸の受信強度の時間変化の一例を図7〜9に示す。図7は、x軸の受信強度の時間変化の一例を示す図であり、図8は、y軸の受信強度の時間変化の一例を示す図であり、図9は、z軸の受信強度の時間変化の一例を示す図である。図7〜9の縦軸は相対受信強度(dB)を示し、横軸は計測時間(s(秒))を示す。図7〜9に示すグラフは、z軸を中心に秒間1回転させた野球用軟式球のx、y、z軸の相対受信強度の時間変化である。ここで「相対受信強度」とは、受信強度の最小値を基準とする受信強度の相対値である。ステップS101の処理が完了するとステップS102に移行する。 An example of the time change of the received intensity on the x, y, and z axes measured in step S101 is shown in FIGS. FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a temporal change in the reception intensity on the x axis, FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a temporal change in the reception intensity on the y axis, and FIG. It is a figure which shows an example of a time change. The vertical axis in FIGS. 7 to 9 represents the relative reception intensity (dB), and the horizontal axis represents the measurement time (s (seconds)). The graphs shown in FIGS. 7 to 9 are the changes over time in the relative received intensity on the x-, y-, and z-axes of the softball for baseball rotated once per second around the z-axis. Here, the “relative reception strength” is a relative value of the reception strength based on the minimum value of the reception strength. When the process of step S101 is completed, the process proceeds to step S102.
(周波数変換処理)
ステップS102では、計算装置6の周波数領域変換部61により、x、y、z軸の受信強度の時間変化(時系列情報)が周波数領域の情報(周波数情報)に変換される。周波数領域変換部61は、フーリエ変換、ウェーブレット変換、ウィグナー分布等の周知の周波数変換手法を用いることができる。
(Frequency conversion processing)
In step S102, the time change (time-series information) of the received intensity on the x, y, and z axes is converted into frequency domain information (frequency information) by the frequency
また、周波数領域に変換する測定値は測定開始点と終了点の値が同一であり、かつ測定範囲内の周期が整数でなければならないという制約がある。しかし、実測においてはこの条件を常に満たすことは不可能であり、これを無視して周波数領域に変換すると周波数分解能が低下する、ピーク周辺に余計な値が発生するといった問題が起こる。よって、この問題を解消するために窓関数を用いる。窓関数とはある有限区間以外で0となる関数を指し、これを信号にかけることによって測定開始点と終了点の値が同一となり、かつ周期が整数となるため、周波数分解能が向上する。この窓関数にはハミング窓、ハニング窓、矩形窓などといった種類があるが、周波数領域変換部61は、これらの周知の窓関数を用いることができる。
In addition, the measurement values to be converted to the frequency domain are restricted in that the values of the measurement start point and the end point must be the same and the period within the measurement range must be an integer. However, in actual measurement, it is impossible to always satisfy this condition, and if this is ignored and converted into the frequency domain, problems such as a decrease in frequency resolution and occurrence of extra values around the peak occur. Therefore, a window function is used to solve this problem. A window function refers to a function that becomes 0 outside a certain finite interval. By applying this to a signal, the values of the measurement start point and end point become the same and the period becomes an integer, so that the frequency resolution is improved. There are various types of window functions, such as a Hamming window, a Hanning window, and a rectangular window. The frequency
ステップS102において変換されたx,y,z軸の受信強度の周波数情報の一例を図10〜12に示す。図10は、x軸の受信強度の周波数情報の一例を示す図であり、図11は、y軸の受信強度の周波数情報の一例を示す図であり、図12は、z軸の受信強度の周波数情報の一例を示す図である。図10〜12の縦軸はパワースペクトル(dB)を示し、横軸は周波数(Hz/rps)を示す。図10〜12に示す周波数情報は、それぞれ図7〜9に示すx,y,z軸の受信強度の時間変化を周波数変換したものである。この例では、周波数変換手法としてフーリエ変換を使用し、窓関数にはハニング窓を使用した。図10〜12に示すように、周波数領域では、x,y,z軸の受信強度は周期的なピークを得ることができる。なお、この時の隣接するピーク同士の周波数の間隔は、各軸における回転速度と一致するものである。ステップS102の処理が完了するとステップS103に移行する。 An example of the frequency information of the received intensity on the x, y, and z axes converted in step S102 is shown in FIGS. FIG. 10 is a diagram illustrating an example of frequency information of x-axis reception strength, FIG. 11 is a diagram of an example of frequency information of reception strength of the y-axis, and FIG. It is a figure which shows an example of frequency information. 10 to 12, the vertical axis represents the power spectrum (dB), and the horizontal axis represents the frequency (Hz / rps). The frequency information shown in FIGS. 10 to 12 is obtained by frequency-converting the temporal change in the received intensity on the x, y, and z axes shown in FIGS. In this example, Fourier transform is used as the frequency conversion method, and Hanning window is used as the window function. As shown in FIGS. 10 to 12, in the frequency domain, the reception intensity on the x, y, and z axes can obtain a periodic peak. Note that the frequency interval between adjacent peaks at this time coincides with the rotational speed of each axis. When the process of step S102 is completed, the process proceeds to step S103.
(閾値処理及び最頻値処理)
ステップS103では、計算装置6の閾値処理演算部62により閾値処理が行われ、最頻値処理演算部63により最頻値処理が行われる。図10〜12に示したように、x,y,z軸の受信強度の周波数スペクトルは、ピーク間隔が各軸における回転速度と一致するような、周期的なピークを有するものである。しかしながら、例えば、図13中に点線で示す領域のように、本来発生する周波数のピークが得られない場合や、図14中に点線で示す領域のように、球体10の回転とは関係のないピークが発生する場合が生じ得る。この場合、周波数スペクトルから正しいピーク間隔が得られず、回転速度の推定に悪影響が出る虞がある。本ステップにおける閾値処理及び最頻値処理は、図13,14に点線で示すような、正しいピーク間隔を取得するのに不要となる要素を取り除くために実施する。
(Threshold processing and mode processing)
In step S <b> 103, threshold processing is performed by the
ステップS103では、図15に示すサブルーチンが実行される。図15は、ステップS103における閾値処理及び最頻値処理のサブルーチンを示すフローチャートである。なお、図15と以下の説明では、便宜上x、y、z軸の符号が省略されているが、図15のフローチャートに示す一連の処理は、ステップS102で取得されたx、y、z軸の受信強度の周波数情報のそれぞれについて個別に行なわれる。 In step S103, the subroutine shown in FIG. 15 is executed. FIG. 15 is a flowchart showing a subroutine of threshold value processing and mode value processing in step S103. In FIG. 15 and the following description, the x, y, and z axis symbols are omitted for convenience, but the series of processing shown in the flowchart of FIG. 15 is performed in the x, y, and z axis acquired in step S102. This is performed individually for each frequency information of the reception intensity.
図15のフローチャートに沿ってステップS103の処理の詳細を説明すると、まず、閾値処理演算部62により任意の閾値が設定され、受信強度の周波数情報からこの閾値以上のピークを抽出する閾値処理が行われる(ステップS201)。
The process in step S103 will be described in detail with reference to the flowchart of FIG. 15. First, an arbitrary threshold value is set by the threshold value
ここで、図16を参照して閾値設定手法の一例を説明する。図16は、閾値処理における閾値設置手法の一例を示す図である。図16の縦軸はパワースペクトル(dB)を示し、横軸は周波数(Hz/rps)を示す。一般に、レーダの受信強度の周波数スペクトルには、周波数0の周辺の領域に直流成分が含まれる。レーダの受信電力の増大に応じて、この直流成分は増大する。このような直流成分の影響により、例えば図16に示すように、周波数0におけるパワースペクトルのピーク値が、他の成分に対して極端に大きくなる場合がある。閾値処理においてピークを精度良く抽出するためには、このような直流成分の影響を除外して閾値を設定することが望ましい。そこで、例えば図16に示すように、直流成分が含まれる0〜faまでの範囲を除外して、周波数fa以上の領域でのピークの最大値をとる周波数fmaxを特定する。そして、周波数faからfmaxの区間におけるパワースペクトルの平均値を算出して、この平均値を閾値として設定する。直流成分を含む領域の境界の周波数faは、例えばパワースペクトルの微分値が負から正に切り替わる周波数、すなわちパワースペクトルが周波数0における最大値から減少し増加に転じる周波数である。なお、図16を参照して説明した閾値設定手法は一例であり、これ以外の手法を適宜用いることができる。
Here, an example of the threshold setting method will be described with reference to FIG. FIG. 16 is a diagram illustrating an example of a threshold setting method in threshold processing. The vertical axis in FIG. 16 indicates the power spectrum (dB), and the horizontal axis indicates the frequency (Hz / rps). In general, the frequency spectrum of the received intensity of the radar includes a direct current component in a region around the
図15に戻り、閾値処理演算部62により、各軸の受信強度の周波数スペクトルからピークf1,f2,f3,…fiが取得される(ステップS202)。閾値処理演算部62は、例えば図10〜12に示すように、x,y,z軸の周波数スペクトルごとに所定の閾値を設定し、この閾値以上の周波数スペクトルからピークとなる周波数をf1,f2,f3,…fiがとして取得する。取得された各ピークの符号は、例えば、周波数が小さい方から大きい方へ順番に付与される。そして、隣り合うピーク同士のピーク間隔Δf1,Δf2,Δf3、・・・Δfiが取得される(ステップS203)。例えば、1番目のピーク間隔Δf1は、Δf1=f2−f1で算出できる。
Returning to FIG. 15, the threshold value
続いて最頻値処理演算部63により最頻値処理が行われる。まずステップS203で取得されたピーク間隔Δf1,Δf2,Δf3、・・・Δfiのうち最小値Δfmin1を取得し、Δfmin1≦Δfmin1+2Δfrの範囲にあるピーク間隔を取得し、それらをグループ1とする。ここで、Δfrは、フーリエ変換後の周波数分解能である。
Subsequently, the mode value processing is performed by the mode value
次に、ステップS203で取得されたピーク間隔Δf1,Δf2,Δf3、・・・Δfiからグループ1を除いた中から最小値Δfmin2を取得し、Δfmin2≦Δfmin2+2Δfrの範囲にあるピーク間隔を取得し、それらをグループ2とする。
Next, the minimum value Δf min2 is acquired from the peak intervals Δf 1 , Δf 2 , Δf 3 ,... Δf i obtained in step S203 by removing the
この演算を、ステップS203で取得されたピーク間隔Δf1,Δf2,Δf3、・・・Δfiのすべてがいずれかのグループに属するまで行なった後、最も要素数の多いグループが、最頻値グループΔfm1として取得される(ステップS204)。 After performing this calculation until all of the peak intervals Δf 1 , Δf 2 , Δf 3 ,... Δf i acquired in step S203 belong to any group, the group with the largest number of elements is the mode. Obtained as a value group Δf m1 (step S204).
次に、最頻値グループΔfm1の要素数が4個未満か否かが判定される(ステップS205)。最頻値グループΔfm1の要素数が4個未満の場合には(ステップS205のYes)、ピーク数が不十分であり周波数情報に周期的な回転の傾向が無いため、その軸における回転速度は発生していないものとみなし、該当する軸の周波数スペクトルのピーク間隔Δfが0と設定されて(ステップS206)、メインフローに戻る。 Next, it is determined whether or not the number of elements of the mode value group Δf m1 is less than 4 (step S205). When the number of elements of the mode value group Δf m1 is less than 4 (Yes in step S205), the number of peaks is insufficient and the frequency information does not have a tendency of periodic rotation. Assuming that no occurrence has occurred, the peak interval Δf of the frequency spectrum of the corresponding axis is set to 0 (step S206), and the process returns to the main flow.
一方、最頻値グループΔfm1の要素数が4個以上の場合には(ステップS205のNo)、続いて、この最頻値グループΔfm1の要素数が、ステップS203で取得されたピーク間隔Δf1,Δf2,Δf3、・・・Δfiの全体数の半分以上か否かが確認される(ステップS207)。最頻値グループΔfm1の要素数が全体の半分以上である場合(ステップS207のYes)、最頻値グループΔfm1の各要素のピーク間隔の値の平均値(図15では、Δfm1の上にバーを付けて表記)が、該当する軸の周波数スペクトルのピーク間隔Δfとして設定されて(ステップS208)、メインフローに戻る。 On the other hand, if the number of elements of the mode value group Δf m1 is 4 or more (No in step S205), then the number of elements of the mode value group Δf m1 is the peak interval Δf acquired in step S203. 1 , Δf 2 , Δf 3 ,... Δf i is checked to see if it is half or more of the total number (step S 207). When the number of elements of the mode value group Δf m1 is more than half of the whole (Yes in step S207), the average value of the peak interval values of each element of the mode value group Δf m1 (in FIG. 15, above Δf m1 Is set as the peak interval Δf of the frequency spectrum of the corresponding axis (step S208), and the process returns to the main flow.
最頻値グループΔfm1の要素数が全体の半分より少ない場合(ステップS207のNo)、最頻値グループΔfm1の次に要素数の多いグループが、2番目の最頻値グループΔfm2として取得される(ステップS209)。 When the number of elements of the mode value group Δf m1 is less than half of the whole (No in step S207), the group having the next largest number of elements after the mode value group Δf m1 is acquired as the second mode value group Δf m2. (Step S209).
最頻値グループΔfm1と、2番目の最頻値グループΔfm2とを残し、これ以外のグループに属するピーク間隔に関するピークが削除される(ステップS210)。例えば、ピーク間隔Δf3(=f4−f3)が、グループΔfm1、Δfm2のいずれにも属していない場合には、ピークf3が削除される。 The mode value group Δf m1 and the second mode value group Δf m2 are left, and peaks relating to peak intervals belonging to other groups are deleted (step S210). For example, when the peak interval Δf 3 (= f 4 −f 3 ) does not belong to any of the groups Δf m1 and Δf m2 , the peak f 3 is deleted.
ステップS210の処理が完了すると、ステップS202に戻り、ピーク間隔が再度取得されて上記の処理が繰り返される。 When the process of step S210 is completed, the process returns to step S202, the peak interval is acquired again, and the above process is repeated.
(角速度の推定)
図3に戻り、ステップS104では、角速度分離部64により、ステップS103にて算出されたx,y,z軸の周波数スペクトルのピーク間隔Δfx,Δfy,Δfzを用いて、x,y,z軸の角速度ωx,ωy,ωzが算出される。ここで、x,y,z軸の周波数スペクトルのピーク間隔Δfx,Δfy,Δfzは、球体10を各軸方向から視たときの回転速度と対応する情報と考えることができる。このとき回転速度は、視点となる軸を除く他の2軸まわりの回転の角速度を合成したものである。例えば、x軸の周波数スペクトルのピーク間隔Δfxは、球体10の回転をyz平面上に射影したときの、yz平面上の回転による回転速度に対応する情報である。このときの回転速度は、y軸まわりの回転による角速度ωyと、z軸まわりの回転による角速度ωzとを合成したものである。したがって、x,y,z軸の周波数スペクトルのピーク間隔Δfx,Δfy,Δfzと、x,y,z軸の角速度ωx,ωy,ωzとは、以下の(2)〜(4)式の関係にある。このパラメータを用いることによって角速度を分離することができる。
Returning to FIG. 3, in step S <b> 104, the angular
上記の(2)〜(4)式を展開すると、角速度ωx,ωy,ωzに関する(5)〜(7)式を導出できる。
角速度分離部64は、ステップS103にて算出されたx,y,z軸の周波数スペクトルのピーク間隔Δfx,Δfy,Δfzを上記の(5)〜(7)式に代入することにより、x,y,z軸の角速度ωx,ωy,ωzを算出する。ステップS104の処理が完了するとステップS105に移行する。
The angular
(角速度の方向判定)
ステップS105では、角速度方向判定部65により、ステップS104で算出された角速度ωy,ωzの正負方向が判定される。角速度を導出する上記(5)〜(7)式には正負の曖昧性が残っている。角速度方向判定部65は、球体10の変化距離を用いて角速度の方向を特定する。空気中を飛翔する球体10にはマグヌス効果や重力が働くため、回転方向によって飛翔軌道の変化方向が決まる。このときの軌道変化をx,y,z軸の三方向から同時に取得し(以下に記載する「軌道変化量Δx,Δy,Δz」)、球体10の飛翔方向から予想される軌道変化(以下に記載する「基準軌道変化量xm,ym,zm」)と比較することによって角速度の正負を決定し、曖昧さを除去する。
(Angular velocity direction judgment)
In step S105, the angular velocity
図17〜19を参照して、角速度方向判定部65における角速度方向判定手法を詳細に説明する。図17は、xyz座標系における球体10の軌道変化を示す模式図である。上述のように、本実施形態では、球体10は、x軸の正方向に沿って飛翔を開始するものとする。x軸レーダ2、y軸レーダ3、z軸レーダ4は、球体10の受信強度の測定と同時に球体10の空間座標を取得する。図17に示すように、このときの球体10からの反射電磁波の測定開始点をp0(x0,y0,z0)、マグヌス効果などの影響により球体10の軌道が変化する前の任意の測定点をph(xh,yh,zh)、軌道変化後の測定終了点をpi(xi,yi,zi)とし、x,y,z軸における測定開始点p0から測定終了点piまでの距離(軌道変化量)をそれぞれΔx,Δy,Δzとする。
With reference to FIGS. 17-19, the angular velocity direction determination method in the angular velocity
図18は、図17中の球体10の軌道をzx平面座標に投射した図である。図18に示されるzx平面座標での球体10の軌道変化に基づいて、y軸の角速度ωyの正負を決定する。球体10の回転による軌道変化が発生しないと仮定した場合の球体10のz軸方向の軌道変化量zm(以下「基準軌道変化量」とも記載する)は、飛翔方向による軌道変化量zs、重力落下による軌道変化量zf、風力による軌道変化量zwの和となる。この基準軌道変化量zmと、実測された軌道変化量Δzとを比較することによって、y軸の角速度ωyの正負を決定する。
FIG. 18 is a diagram in which the trajectory of the
z軸の飛翔方向による軌道変化量zsは、次のように算出する。まず、測定開始点p0と、軌道変化前の任意の測定点Phと取得し、それらの差より測定点Phにおけるz方向の変化距離zs´を得る。球体10が測定開始点p0と測定点phの2点を通る等速直線運動を行なうとすると、球体10の飛翔方向による軌道変化量zsは、下記の(8)式で算出することができる。
これに加え、球体10が空気中を飛翔する際には重力による落下が発生する。この重力による軌道変化量zfは、重力加速度をg、球体10の飛翔時間をtとして下記の(9)式で算出することができる。
また、x軸方向の軌道変化量Δxは、下記の(10)式で算出することができる。
上記の(9)式及び(10)式より、重力による軌道変化量Zfは、下記の(11)式で算出できる。
次に風による軌道変化量zwを求める。実環境、特に屋外での測定の場合、風による軌道変化が発生する。この時のz軸方向の風速をwzとすると、この風力による軌道変化量zwは、下記の(12)式で算出できる。
また、球体10の飛翔時間tを、上記(10)式に基づいて初速度v0、x軸方向の風力wx、x軸方向の軌道変化量Δxを用いて表し、(12)式に代入すると、風力による軌道変化量zwは、次の(13)式で表すことができる。
球体10のz軸方向の基準軌道変化量zmは、上述のとおり、飛翔方向による軌道変化量zs、重力落下による軌道変化量zf、及び風力による軌道変化量zwの和であるため、上記の(8),(11),(13)式に基づき、下記の(14)式で表すことができる。
このように算出される球体10のz軸方向の基準軌道変化量zmが、球体10のy軸の角速度ωyの正負を決定するための閾値となり、このzmと、実測されたz軸方向の軌道変化量Δzとを比較することによって、y軸の角速度ωyの方向を決定することができる。
The reference trajectory change amount z m in the z-axis direction of the
軌道変化量Δzが基準軌道変化量zmより大きい場合(Δz>zm)、すなわち図18では球体10がzmの下端より上方にある場合、球体10はマグヌス力によって揚力を受けている状態にある。この力を受ける条件はバックスピンであり、y軸の正方向側(図18の紙面奥側)から視た場合、球体10は時計回りに回転している。したがって、Δz>zmの場合、y軸の角速度ωyは負方向となる。
When the trajectory change amount Δz is larger than the reference trajectory change amount z m (Δz> z m ), that is, when the
一方、軌道変化量Δzが基準軌道変化量zmより小さい場合(Δz<zm)、すなわち図18に示すように球体10がzmの下端より下方にある場合、Δzはzmと回転による下方向の変化の和となる。下方向の変化が発生する条件はトップスピンであり、y軸の正方向側から視た場合、球体10は反時計回りの回転となる。したがって、Δz<zmの場合、y軸の角速度ωyは正方向となる。以上より、y軸の角速度ωyの正負は、下記の(15)式で決定することができる。
図19は、図17中の球体10の軌道をxy平面座標に投射した図である。図19に示されるxy平面座標における球体10の軌道変化に基づいて、z軸の角速度ωzの正負を決定する。球体10の回転による軌道変化が発生しないと仮定した場合の球体10のy軸方向の軌道変化量ym(以下「基準軌道変化量」とも記載する)は、飛翔方向による軌道変化量ysと、風力による軌道変化量ywの和となる。この基準軌道変化量ymと、実測された軌道変化量Δyとを比較をすることによって、z軸の角速度ωzの正負を決定する。
FIG. 19 is a diagram in which the trajectory of the
y軸の飛翔方向による軌道変化量ysは、次のように算出する。まず、測定開始点p0と、軌道変化前の任意の測定点phとを取得し、それらの差より測定点phにおけるy方向の変化距離ys´を得る。このとき、球体10の軌道が測定開始点p0と測定点phの2点を通る延長線上とすると、球体10の飛翔方向による軌道変化量ysは、下記の(16)式で算出できる。
次に、風による軌道変化量ywを求める。y軸方向の風速をwyとすると、この風力による軌道変化量ywは、下記の(17)式で算出できる。
また、球体10の飛翔時間tを、初速度v0、x軸方向の風力wx、x軸方向の軌道変化量Δxを用いて表し、(17)式に代入すると、風力による軌道変化量ywは、次の(18)式で表すことができる。
球体のy軸方向の基準軌道変化量ymは、上述のとおり、飛翔方向による軌道変化量ys、及び風力による軌道変化量ywの和であるため、上記の(16),(18)式に基づき、下記の(19)式で表すことができる。
このように算出される球体10のy軸方向の基準軌道変化量ymが、球体10のz軸の角速度ωzの正負を決定するための閾値となり、このymと、実測されたy軸方向の軌道変化量Δyとを比較することによって、z軸の角速度ωzの方向を決定することができる。
Reference trajectory change amount y m in the y-axis direction of the
軌道変化量Δyが基準軌道変化量ymより大きい場合(Δy>ym)、すなわち図19に示すように球体10がymの左端より左側にある場合、z軸の正方向側(図19の紙面手前側)から視た場合、球体10は反時計回りに回転している。したがって、Δy>ymの場合、z軸の角速度ωzは正方向となる。
If track variation [Delta] y is larger than the reference trajectory change amount y m (Δy> y m) , i.e. if the
一方、軌道変化量Δyが基準軌道変化量ymより小さい場合(Δy<ym)、すなわち図19では球体10がymの左端より右側にある場合、z軸の正方向側から視た場合、球体10は時計回りに回転している。したがって、Δy<ymの場合、z軸の角速度ωzは負方向となる。以上より、z軸の角速度ωzの正負は、下記の(20)式で決定することができる。
なお、進行方向軸であるx軸の角速度ωxは、正負どちらの場合でも球体10は同様の軌道変化をする傾向にある。このため、本実施形態では、角速度方向判定部65は、x軸の角速度ωxについては任意の方向を選択する。ステップS105の処理が完了するとステップS106に移行する。
Note that the
(角速度ベクトルの導出)
ステップS106では、角速度ベクトル導出部66により、ステップS104、S105で算出された各軸の角速度ωx,ωy,ωzを用いて、球体10の角速度ベクトルωが出力される。角速度ベクトルωは、以下の(21)式で表すことができる。
In step S106, the angular velocity
(角速度ベクトルの利用)
なお、計算装置6は、角速度ベクトルωを導出した後、この導出した角速度ベクトルωの情報を記憶装置7や出力装置8に出力し、記憶装置7に記憶したり、出力装置8に出力できる。また、出力装置8に、球体10の回転速度や回転軸方向を文字情報や図形情報で表示することもできる。
(Use of angular velocity vector)
In addition, after deriving the angular velocity vector ω, the
次に、本実施形態に係る回転推定システム1の効果を説明する。
Next, the effect of the
本実施形態の回転推定システム1は、回転を伴って飛翔する球体10の回転速度及び回転軸位置を推定する。回転推定システム1は、球体10に対してx,y,z軸の方向から電磁波11,13,15を照射し、球体10からの反射電磁波12,14,16をx,y,z軸で受信して、x,y,z軸の反射電磁波の受信強度に関する時系列情報を計測する測定装置5と、測定装置5により計測されたx,y,z軸の時系列情報を周波数情報にそれぞれ変換する計測装置6の周波数領域変換部61と、周波数領域変換部61により変換されたx,y,z軸の周波数情報におけるピーク間隔Δfx,Δfy,Δfzをそれぞれ特定する閾値処理演算部62と、特定されたx,y,z軸のピーク間隔Δfx,Δfy,Δfzに基づいて、球体10のx,y,z軸の角速度ωx,ωy,ωzを推定する角速度分離部64と、角速度分離部64により推定されたx,y,z軸の角速度ωx,ωy,ωzを成分とする角速度ベクトルωの大きさを球体10の回転速度として、また、角速度ベクトルωの方向を球体10の回転軸位置として出力する角速度ベクトル導出部66と、を備える。
The
この構成により、回転を伴って飛翔する球体10の回転位相変化に関する情報(反射電磁波の受信強度に関する時系列情報)を三方向から多角的に取得できるので、実際の球体10の回転挙動について詳細かつ高精度に把握することできる。また、これらの多角的な情報に基づき球体10の回転速度及び回転軸位置を推定するので、球体10の実際の回転挙動に好適に則した回転パラメータを推定することが可能となり、球体10の回転パラメータを精度良く推定できる。
With this configuration, information regarding the rotational phase change of the
また、本実施形態の回転推定システム1において、角速度分離部64は、三軸のピーク間隔Δfx,Δfy,Δfzのそれぞれが、各軸方向から球体10を視た場合の、視点となる軸を除く他の二軸まわりの回転の角速度を合成した回転速度に対応する情報であるとの特性に基づいて、球体10の三軸の角速度ωx,ωy,ωzを推定する。より詳細には、角速度分離部64は、x,y,z軸のピーク間隔をそれぞれΔfx,Δfy,Δfz,x,y,z軸の角速度をそれぞれωx,ωy,ωzと表すとき、上記の(5)〜(7)式を用いて三軸の角速度を推定する。
In the
上述のように、回転飛翔する球体10のx,y,z軸の受信強度の周波数スペクトルは、ピーク間隔が各軸における回転速度と一致するような、周期的なピークを有する特徴がある。したがって、x,y,z軸の受信強度の周波数スペクトルのピーク間隔Δfx,Δfy,Δfzを利用した上記の(5)〜(7)式を用いることで、球体10のx,y,z軸の角速度を精度良く推定することができる。
As described above, the frequency spectrum of the received intensity on the x, y, and z axes of the
また、本実施形態の回転推定システム1は、球体10の軌道変化量Δx,Δy,Δzをx,y,z軸の方向から取得し、球体10の飛翔方向から予想される基準軌道変化量xm,ym,zmと比較することによって、角速度分離部64により推定された角速度ωx,ωy,ωzの正負方向を判定する角速度方向判定部65を備える。
Further, the
上述のように、角速度分離部64により上記の(5)〜(7)式を用いて算出される角速度ωx,ωy,ωzは、正負両方を含むものであって曖昧性が残るものである。そこで、上記構成により球体10の軌道変化に基づいて角速度の方向を特定することで、角速度分離部64により算出された角速度の曖昧性を解消できる。これにより、最終的に導出される球体10の回転パラメータの推定精度を向上できる。
As described above, the angular velocities ω x , ω y , and ω z calculated by the angular
また、本実施形態の回転推定システム1において、角速度方向判定部65は、球体10からの反射電磁波の測定開始点をP0(x0,y0,z0)、軌道変化前の任意の測定点をPh(xh,yh,zh)、軌道変化後の測定終了点をpi(xi,yi,zi)、測定開始点p0から測定終了点piまでのx,y,z軸の軌道変化量をΔx,Δy,Δz、重力加速度をg、初速度をv0、x,y,z軸の風速をwx,wy,wzと表すとき、上記の(15),(20)式によって角速度の正負方向を判定する。
Further, in the
球体10の回転方向が正負逆の場合、この回転に起因する球体10の軌道変化は明確に異なるものとなる。上記構成により、球体の飛翔方向、重力落下、風力による軌道変化の影響を相殺して、球体10の回転の影響によって発生した軌道変化量を切り出すことができる。したがって、球体10の角速度ωx,ωy,ωzの正負方向を精度良く判定できる。
When the rotation direction of the
また、本実施形態の回転推定システム1において、閾値処理演算部62が、周波数領域変換部61により変換されたx,y,z軸の周波数情報から所定の閾値以上のピークを抽出して、隣接するピーク間のピーク間隔を算出し、最頻値処理演算部63が、閾値処理演算部62により算出されたピーク間隔のうち頻度の高いものを抽出し、この抽出したピーク間隔に基づいてピーク間隔Δfx、Δfy、Δfzを特定する。
Further, in the
回転飛翔する球体10に関するx、y、z軸の受信強度の周波数スペクトルは、ピーク間隔が各軸における回転速度と一致するような、周期的なピークを有するものである。しかし、この周波数スペクトルには、例えば反射電磁波の計測時のノイズなどの影響により、球体10の回転とは関係のないピークが発生したり、本来発生する周波数のピークが得られない場合など、何らかの不確定要素が含まれる場合がある。このような不確定要素は最終的な回転パラメータの推定に悪影響を与える虞がある。そこで上記構成により、最頻値処理を施してピーク間隔Δfx、Δfy、Δfzを特定することで、ピーク間隔の情報から不確定要素を除外することが可能となる。これにより、球体10の回転に関係する正しいピーク間隔を特定することが可能となり、回転パラメータの推定精度を向上できる。
The frequency spectrum of the received intensity on the x, y, and z axes for the
本実施形態の回転推定システム1は、球技に応用することが考えられる。例えば、計測対象の球体10を球技用ボールとすれば、角速度ベクトル導出部66により出力された球技用ボールの回転速度及び回転軸位置に基づいて、回転軸位置からボールの球種を推定したり、回転速度から変化球の変化度合いを推定したり、ボールの起動を予測するなど、回転飛翔する球技用ボールの球種や軌道に関する情報を生成することができる。そして、このように生成した情報を、出力装置8や球技会場の表示装置に表示して、選手や観客に提示することもできる。
The
本実施形態の回転推定システム1を球技に適用することの効果をさらに説明する。本実施形態を球技に適用した場合の効果を、選手側と観客側の両方で説明する。
The effect of applying the
まず、観客側の効果を説明する。試合に用いるボールは規格が決まっており、特に表面の加工が難しいために、従来は試合中に回転パラメータをリアルタイムで測定することが困難であったが、本実施形態の回転推定システム1は電磁波を用いて、受信強度の変化から角速度ベクトルを測定するため、無加工の球体でも回転パラメータをリアルタイムで測定することが可能となる。
First, the effect on the audience side will be explained. The ball used for the game has a predetermined standard, and it is difficult to measure the rotation parameter in real time during the game because the surface processing is particularly difficult. However, the
このようにリアルタイムで測定したボールの回転速度や回転軸位置などの情報を、会場のスクリーンに映し出して観客に情報提供することができれば、選手がどのような球を投げたのか、あるいは打っていたのかが確認できるようになり、臨場感の向上や戦術の推測等といったサービスを提供することができる。 In this way, if the information such as the ball rotation speed and rotation axis position measured in real time can be displayed on the screen of the venue and provided information to the audience, what kind of ball the player threw or hit This makes it possible to provide services such as improving the sense of reality and estimating tactics.
選手側の効果としては、リアルタイムで試合中に投げた、あるいは打った球の回転パラメータを取得することができるため、その場での技術修正を行うことができる。また、試合中に投げた球のパラメータをデータとして残すことが可能になるため、「重い球」、「伸びがある球」といった曖昧な定義だった球の解析、データを用いた弱点の改善やトレーニングの提案、好調時と不調時のパラメータを比べることによる調子の確認等といった技術の向上を図ることが出来、更なる人材育成につなげることができる。 As an effect on the player side, since the rotation parameter of the ball thrown or hit during the game can be acquired in real time, the technical correction on the spot can be performed. Also, since it is possible to leave the parameters of the ball thrown during the game as data, analysis of the vague definitions such as “heavy ball” and “ball with elongation”, improvement of weak points using data, It is possible to improve skills such as training proposals and confirming the condition by comparing parameters during good and bad conditions, which can lead to further human resource development.
なお、球体の回転によって発生するドップラーシフトを利用して、球体の回転速度を導出する従来手法(特許文献1参照)が知られている。ドップラーシフトは、波の発生源(電磁波送信機)と、測定物(球体)との相対速度によって、反射波の周波数に変化が発生する現象である。この従来手法において、ドップラーシフトの発生要因は、球体の回転速度である。一方、本実施形態の回転推定システム1は、球体10のレーダ断面積の変化によって発生する受信強度の時間変化に基づいて、球体10の回転速度および回転軸を算出するものである。本実施形態において入力情報として用いる球体10のレーダ断面積は、ドップラーシフトに影響を及ぼすものではないので、上記の従来手法では取得することができない情報である。このように、本実施形態の回転推定システム1は、ドップラーシフトを利用する従来手法と比較して、球体パラメータの導出に用いる入力情報が明らかに異なるものであり、従って、この入力情報に基づき球体パラメータを導出するための解析手法も異なるものである。
A conventional method (see Patent Document 1) for deriving the rotational speed of a sphere using a Doppler shift generated by the rotation of the sphere is known. The Doppler shift is a phenomenon in which the frequency of the reflected wave changes due to the relative velocity between the wave generation source (electromagnetic wave transmitter) and the measurement object (sphere). In this conventional method, the cause of Doppler shift is the rotational speed of the sphere. On the other hand, the
次に、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明する。図21に、野球のカーブボールを3方向から測定した実施例の構成を示す。計測対象の球体10として、特許第5142366号公報に記載の「遊戯用ボール」を使用した。送信電力は0(dBm)、送信周波数は10(GHz)、測定時間は0.4096(秒)、測定ポイントは8192(点)、周波数分解能は2.44(Hz)とし、x軸レーダ2はバックネット、y軸レーダ3は1塁側スタンド、z軸レーダ4は天井に配置した。球体10の初期位置(ピッチャーマウンド)とx軸レーダ2、y軸レーダ3、z軸レーダとの間の距離は、それぞれ36.4(m)、40(m)、50(m)であった。球体10の各軸の回転速度は、すべて20(rps)とした。風は吹いていないものとする。
Next, the present invention will be described more specifically based on examples. FIG. 21 shows a configuration of an example in which a baseball curve ball is measured from three directions. As the
以上の条件下において取得した球体10から反射電磁波に関する受信強度の時間変化を図22,23,24に示す。図22,23,24は、それぞれ取得されたx,y,z軸の受信強度の時間変化を示す図である。図22〜24の縦軸は受信強度(pW)を示し、横軸は計測時間(s(秒))を示す。
FIGS. 22, 23, and 24 show temporal changes in the received intensity related to the reflected electromagnetic waves from the
このとき得られた各軸の受信強度の時間変化をフーリエ変換すると、図25,26,27で示される周波数スペクトルを得ることができる。図25,26,27は、それぞれx、y、z軸の受信強度の周波数スペクトルを示す図である。図25〜27の縦軸はパワースペクトル(dB)を示し、横軸は周波数(Hz/rps)を示す。これらの周波数スペクトルにおいて、直流成分ピークを除いた最大値は、各軸いずれもf=80.57(Hz/rps)の時である。よって、この範囲における平均値から閾値を求めると、図25に示すx軸の周波数スペクトルでは、閾値は−123.03(dB)となった。図26に示すy軸の周波数スペクトルの場合、閾値は−128.98(dB)となった。図27に示すz軸の周波数スペクトルの場合、閾値は−132.72(dB)となった。このように導出した閾値を用いて閾値処理を行うことによってピークとその間隔が得られる。この時得られたピーク間隔数は、図25に示すx軸の周波数スペクトルでは18個、図26に示すy軸の周波数スペクトルでは21個、図27に示すz軸の周波数スペクトルでは20個となった。 When the time change of the received intensity of each axis obtained at this time is Fourier transformed, the frequency spectrum shown in FIGS. 25, 26 and 27 can be obtained. 25, 26, and 27 are diagrams showing frequency spectra of received intensities on the x, y, and z axes, respectively. 25 to 27, the vertical axis represents the power spectrum (dB), and the horizontal axis represents the frequency (Hz / rps). In these frequency spectra, the maximum value excluding the DC component peak is when f = 80.57 (Hz / rps) for each axis. Therefore, when the threshold value is obtained from the average value in this range, the threshold value is −123.03 (dB) in the frequency spectrum of the x axis shown in FIG. In the case of the y-axis frequency spectrum shown in FIG. 26, the threshold value was −128.98 (dB). In the case of the z-axis frequency spectrum shown in FIG. 27, the threshold value was −132.72 (dB). A peak and its interval are obtained by performing threshold processing using the threshold derived in this way. The number of peak intervals obtained at this time is 18 in the x-axis frequency spectrum shown in FIG. 25, 21 in the y-axis frequency spectrum shown in FIG. 26, and 20 in the z-axis frequency spectrum shown in FIG. It was.
次に、ピーク間隔のグループ分けを行った。図25,26,27に示す各軸の周波数スペクトルにおける最小ピーク間隔は、すべて19.53(Hz/rps)となった。この値から周波数分解能2.44(Hz)を2倍した値を加えた24.41(Hz/rps)までの値がグループ1となる。次にグループ1を除く最小ピーク間隔を求め、同様の処理を行った。この処理をすべての値がいずれかのグループに属するまで行った。
Next, the peak interval was grouped. The minimum peak intervals in the frequency spectrum of each axis shown in FIGS. 25, 26, and 27 were all 19.53 (Hz / rps). A value up to 24.41 (Hz / rps) obtained by adding a value obtained by doubling the frequency resolution 2.44 (Hz) from this value is
この処理の結果、図25,27に示すx軸及びz軸の周波数スペクトルの場合、グループは、19.53 (Hz/rps)≦24.41(Hz/rps)のグループ1、58.59(Hz/rps)≦63.47(Hz/rps)のグループ2、78.13(Hz/rps)≦83.01(Hz/rps)のグループ3となった。また、図26に示すy軸の周波数スペクトルの場合、グループは、19.53(Hz/rps)≦24.41(Hz/rps)のグループ1、41.50(Hz/rps)≦46.38(Hz/rps)のグループ2、61.04(Hz/rps)≦65.92(Hz/rps)のグループ3、78.13(Hz/rps)≦83.01(Hz/rps)のグループ4となった。
As a result of this processing, in the case of the x-axis and z-axis frequency spectra shown in FIGS. 25 and 27, the group is 19.53 (Hz / rps) ≦ 24.41 (Hz / rps)
グループ分けが完了したので、グループ内の要素の数をカウントし、最も数が多いグループと全体における割合を確認する。図25に示すx軸の周波数スペクトルの場合、最も要素を多く含むグループはグループ3の9個であった。全要素数は18個であるため、全要素数に対するグループ内の要素数の割合は50%である。グループ内の要素が全体の半分以上を占めているので、このグループ内の要素の平均値を取得し、それをx軸のピーク間隔Δfxとする。グループ3の平均値は80.02(Hz/rps9であるため、Δfx=80.02(Hz/rps)となった。 Since grouping is completed, the number of elements in the group is counted, and the group with the largest number and the ratio in the whole are confirmed. In the case of the x-axis frequency spectrum shown in FIG. 25, there are nine groups 3 including the most elements. Since the total number of elements is 18, the ratio of the number of elements in the group to the total number of elements is 50%. Since elements in the group accounts for more than half of the total, and acquires the average value of the elements in this group, make it a peak interval Delta] f x of x-axis. Since the average value of Group 3 is 80.02 (Hz / rps9), Δf x = 80.02 (Hz / rps).
図26に示すy軸の周波数スペクトルの場合、最も要素を多く含むグループはグループ1と4の7個であり、全要素数に対するグループ内の要素数の割合は47.62%となった。また、図27に示すz軸の周波数スペクトルの場合、最も要素を多く含むグループはグループ2と3の7個であり、全要素数に対するグループ内の要素数の割合は35%となった。これらは共にグループ内の要素数の割合が50%を超えていないため、これらのグループ以外のピーク間隔Δfiの番号iに対応するピークfiを削除する。図26に示すy軸の周波数スペクトルの場合、グループ2、3に属するピーク間隔は、Δf2,Δf4,Δf10,Δf12,Δf15,Δf17,Δf19であるため、これらの番号に対応するピークf2,f4,f10,f12,f15,f17,f19を削除した。同様に、図27に示すz軸の周波数スペクトルの場合、グループ1に属するピーク間隔は、Δf2,Δf10,Δf12,Δf13,Δf15,Δf17であるため、これらの番号に対応するピークf2,f10,f12,f13,f15,f17を削除した。
In the case of the y-axis frequency spectrum shown in FIG. 26, the groups having the largest number of elements are seven
次に、ピークを削除したy軸及びz軸の周波数スペクトルにおいて、ピーク番号i及びピーク間隔Δfiを再取得した。図28及び図29は、ピーク間隔を再取得したy軸及びz軸の受信強度の周波数スペクトルを示す図である。図28,29の縦軸はパワースペクトル(dB)を示し、横軸は周波数(Hz/rps)を示す。 Next, the peak number i and the peak interval Δf i were obtained again in the y-axis and z-axis frequency spectra from which the peaks were deleted. FIG. 28 and FIG. 29 are diagrams illustrating frequency spectra of received intensity on the y-axis and the z-axis obtained by reacquiring the peak interval. 28 and 29, the vertical axis represents the power spectrum (dB), and the horizontal axis represents the frequency (Hz / rps).
図28,29に示すy軸及びz軸の受信強度の周波数スペクトルにおいて、ピーク間隔のグループ分けを再度行なった。図28に示すy軸の周波数スペクトルの場合、ピーク間隔の全要素数は15個、グループは、19.53(Hz/rps)≦24.41(Hz/rps)のグループ1、61.04(Hz/rps)≦65.92(Hz/rps)のグループ2、78.13(Hz/rps)≦83.01(Hz/rps)のグループ3、139.16(Hz/rps)≦144.01(Hz/rps)のグループ4となった。図29に示すz軸の周波数スペクトルの場合、ピーク間隔の全要素数は15個、グループは、58.59(Hz/rps)≦63.47(Hz/rps)のグループ1、78.13(Hz/rps)≦83.01(Hz/rps)のグループ2、100.10(Hz/rps)≦104.98(Hz/rps)のグループ3となった。
In the frequency spectrum of the received intensity on the y-axis and z-axis shown in FIGS. 28 and 29, the peak intervals were grouped again. In the case of the y-axis frequency spectrum shown in FIG. 28, the total number of elements of the peak interval is 15, and the group is 19.53 (Hz / rps) ≦ 24.41 (Hz / rps)
グループ分けが完了したので、グループ内の要素の数をカウントし、最も数が多いグループと全体における割合を確認する。図28に示すy軸の周波数スペクトルの場合、最も要素を多く含むグループはグループ3の11個なのに対し、全要素数は15個であるため、全要素数に対するグループ内の要素数の割合は73%となった。図29に示すz軸の周波数スペクトルの場合、最も要素を多く含むグループはグループ2の11個なのに対し、全要素数は15個であるため、全要素数に対するグループ内の要素数の割合は73%となった。これらのグループは共に要素数が全体の半分以上を占めているので、このグループ内の要素の平均値を取得し、これらをy軸及びz軸のピーク間隔Δfy,Δfzする。図28におけるグループ3の平均値は79.59(Hz/rps)、図29におけるグループ2の平均値は79.59(Hz/rps)となるため、Δfy=79.59(Hz/rps)、Δfz=79.59(Hz/rps)となった。
Since grouping is completed, the number of elements in the group is counted, and the group with the largest number and the ratio in the whole are confirmed. In the case of the frequency spectrum of the y-axis shown in FIG. 28, the group containing the largest number of elements is 11 in group 3, whereas the total number of elements is 15. Therefore, the ratio of the number of elements in the group to the total number of elements is 73. %. In the z-axis frequency spectrum shown in FIG. 29, the group containing the largest number of elements is 11 in
なお、この球体10は1回転する際に4つの周期を有しているので、Δfx,Δfy,Δfzを4で割る必要がある。これによって各軸の周波数スペクトルのピーク間隔はΔfx=19.90(Hz/rps)、Δfy=19.90(Hz/rps)、Δfz=19.90(Hz/rps)となった。
Since the
本実施例の測定条件は、上述のように球体10の各軸の回転速度をすべて20(rps)と設定した。上記計算により算出された各軸のピーク間隔Δfx,Δfy,Δfzを設定値(=20rps)と比較すると、設定値に対する推定誤差が0.5%と非常に小さく抑えられている。
As the measurement conditions of this example, the rotational speeds of the respective axes of the
以上によって得られたピーク間隔Δfx,Δfy,Δfzから、(5)〜(7)式を用いて各軸の角速度ωx,ωy,ωzに分離すると、ωx=39.79(rad/s)、ωy=39.79π(rad/s)、ωz=39.79π(rad/s)となり、角速度ベクトルωは、
次に、球体10の軌道変化に基づき曖昧性の除去を行った。図30,31,32は、実施例における球体10のx,y,z軸の軌道変化をそれぞれ示す図である。図30〜32の縦軸は球体10の移動距離(m)を示し、横軸は測定時間(s(秒))を示す。図30,31,32に示すように、この測定における測定開始点の座標をp0(0,0,0)とした時、各軸の軌道変化量は、Δx=13.56(m)、Δy=0.25(m)、Δz=−0.5(m)となる。また、この時の測定点はp0=0(s)、ph=0.12(s)、pi=0.4096(s)とした。なお、phにおけるx軸の軌道変化は4(m)であるため、球体の初速度は120(km/h)となる。
Next, ambiguity was removed based on the trajectory change of the
zx平面座標におけるzs,zf,zwは、それぞれ(8)式、(11)式、(13)式より、0.4068(m)、−0.8125(m)、0(m)となった。これらより、球体10の回転による変化が発生しない場合のz軸の軌道変化(基準軌道変化量)は、(14)式より−0.4057(m)となった。これに対し、Δz=−0.5(m)であるため、(15)式よりωy>0となった。
z s , z f , and z w in the zx plane coordinates are 0.4068 (m), −0.8125 (m), and 0 (m) from the equations (8), (11), and (13), respectively. It became. From these, the change in the z-axis trajectory (reference trajectory change) when the change due to the rotation of the
xy平面座標におけるys,ywは、(16)式、(18)式より−0.3465(m)、0(m)となった。これらより、球体10の回転による変化が発生しない場合のy軸の軌道変化(基準軌道変化量)は、(19)式より−0.4057(m)となった。これに対してΔy=0.25(m)であるため、(20)式よりωz>0となった。これより、角速度ベクトルωは、
以上の計算を実際にコンピュータプログラムで10回動作させ、計算時間の最大値、最小値、平均値を計測した。なお、この計算に用いたコンピュータのCPUは、Intel(登録商標)社のCore(商標)2 Duo E7300(2.66(GHz))であり、メモリは2(GB)とした。プログラム言語には、Matlab(登録商標)を使用して、この計算のためのコンピュータプログラムを作成した。このコンピュータ及びプログラム言語を用いた計算時間は、最大値0.687秒、最小値0.578秒、平均値0.631秒であり、いずれにおいても1秒以下で角速度ベクトルを算出することが出来た。なお,これらの計算時間は、マシンスペック、プログラム言語、プログラムの書き方に依存するため、上記の条件を変更することによって計算時間の短縮をさらに図ることができる。 The above calculation was actually operated 10 times with a computer program, and the maximum value, minimum value, and average value of the calculation time were measured. The CPU of the computer used for this calculation was Core (registered trademark) 2 Duo E7300 (2.66 (GHz)) manufactured by Intel (registered trademark), and the memory was 2 (GB). As a programming language, Matlab (registered trademark) was used to create a computer program for this calculation. The calculation time using the computer and the program language is a maximum value of 0.687 seconds, a minimum value of 0.578 seconds, and an average value of 0.631 seconds. In any case, the angular velocity vector can be calculated in 1 second or less. It was. Since these calculation times depend on the machine specifications, the program language, and how to write the program, the calculation time can be further shortened by changing the above conditions.
以上、本発明の実施形態を説明したが、上記実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。上記実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, the said embodiment was shown as an example and is not intending limiting the range of invention. The above-described embodiment can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. The above-described embodiments and modifications thereof are included in the invention described in the claims and equivalents thereof, as long as they are included in the scope and gist of the invention.
上記実施形態では、本発明に係る回転推定システム1が回転パラメータを推定する対象である回転飛翔体として球体10を例示して説明したが、回転飛翔体は回転して飛翔する物体であればよく、例えば楕円体などの球体以外の形状の物体も回転飛翔体に含めることができる。また、上記実施形態では、回転飛翔体として、主に野球用ボールなど球技に用いるボールを想定していたが、例えば砲弾など球技以外の用途の物体も対象とすることができる。
In the above-described embodiment, the
1 回転推定システム
5 測定装置(計測手段)
6 計算装置
61 周波数領域変換部(変換手段)
62 閾値処理演算部(ピーク間隔特定手段)
63 最頻値処理演算部(ピーク間隔特定手段)
64 角速度分離部(角速度推定手段)
65 角速度方向判定部(判定手段)
66 角速度ベクトル導出部(出力手段)
8 出力装置(表示手段)
10 球体(回転飛翔体)
1
6
62 Threshold processing calculation unit (peak interval specifying means)
63 Mode value processing calculation section (peak interval specifying means)
64 Angular velocity separation unit (angular velocity estimation means)
65 Angular velocity direction determination unit (determination means)
66 Angular velocity vector deriving section (output means)
8 Output device (display means)
10 Sphere (Rotating flying object)
Claims (9)
前記回転飛翔体に対して三軸の方向から電磁波を照射し、前記回転飛翔体からの反射電磁波を前記三軸で受信して、前記三軸の反射電磁波の受信強度に関する時系列情報を計測する計測手段と、
前記計測手段により計測された前記三軸の時系列情報を周波数情報にそれぞれ変換する変換手段と、
前記変換手段により変換された前記三軸の周波数情報におけるピーク間隔をそれぞれ特定するピーク間隔特定手段と、
前記ピーク間隔特定手段により特定された前記三軸のピーク間隔に基づいて、前記回転飛翔体の前記三軸の角速度を推定する角速度推定手段と、
前記角速度推定手段により推定された前記三軸の角速度を成分とする角速度ベクトルの大きさを前記回転飛翔体の回転速度として、また、前記角速度ベクトルの方向を前記回転飛翔体の回転軸位置として出力する出力手段と、
を備えることを特徴とする回転飛翔体の回転推定システム。 A rotation estimation system for estimating a rotation speed and a rotation axis position of a rotating projectile that flies with rotation,
Irradiate the rotating projectile with electromagnetic waves from three directions, receive the reflected electromagnetic waves from the rotating projectile with the three axes, and measure time-series information regarding the reception intensity of the three-axis reflected electromagnetic waves. Measuring means;
Conversion means for converting the time series information of the three axes measured by the measurement means into frequency information, and
Peak interval specifying means for specifying each of the peak intervals in the triaxial frequency information converted by the converting means;
Angular velocity estimating means for estimating an angular velocity of the three axes of the rotating projectile based on the peak distance of the three axes specified by the peak interval specifying means;
The magnitude of the angular velocity vector whose component is the angular velocity of the three axes estimated by the angular velocity estimating means is output as the rotational speed of the rotating projectile, and the direction of the angular velocity vector is output as the rotational axis position of the rotating projectile. Output means for
A rotation estimation system for a rotating projectile, comprising:
前記三軸のピーク間隔のそれぞれが、各軸方向から前記回転飛翔体を視た場合の、視点となる軸を除く他の二軸まわりの回転の角速度を合成した回転速度に対応する情報であることに基づいて、前記回転飛翔体の前記三軸の角速度を推定することを特徴とする、請求項1に記載の回転飛翔体の回転推定システム。 The angular velocity estimation means includes
Each of the three-axis peak intervals is information corresponding to a rotational speed obtained by synthesizing angular speeds of rotation around the other two axes excluding the viewpoint axis when the rotating projectile is viewed from each axial direction. The rotational estimation system for a rotating projectile according to claim 1, wherein the three-axis angular velocity of the rotating projectile is estimated based on the above.
ことを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の回転飛翔体の回転推定システム。 The trajectory change of the rotating projectile is obtained from the three axis directions, and compared with the trajectory change expected from the flight direction of the rotating projectile, the positive / negative direction of the angular velocity estimated by the angular velocity estimating means is obtained. The rotation estimation system for a rotating projectile according to any one of claims 1 to 3, further comprising determination means for determining.
前記回転飛翔体からの反射電磁波の測定開始点をP0(x0,y0,z0)、軌道変化前の任意の測定点をPh(xh,yh,zh)、軌道変化後の測定終了点をpi(xi,yi,zi)、前記測定開始点p0から前記測定終了点piまでの前記三軸の軌道変化量をΔx,Δy,Δz、重力加速度をg、初速度をv0、前記三軸の風速をwx,wy,wzと表すとき、下記の判別式によって前記角速度の正負方向を判定する
ことを特徴とする、請求項4に記載の回転飛翔体の回転推定システム。
The measurement start point of the reflected electromagnetic wave from the rotating projectile is P 0 (x 0 , y 0 , z 0 ), the arbitrary measurement point before the trajectory change is P h (x h , y h , z h ), and the trajectory change. The subsequent measurement end point is p i (x i , y i , z i ), the three-axis trajectory variation from the measurement start point p 0 to the measurement end point p i is Δx, Δy, Δz, and gravitational acceleration. 5 , wherein the initial velocity is represented by v 0 , and the three-axis wind velocity is represented by w x , w y , w z , the positive / negative direction of the angular velocity is determined by the following discriminant: The rotation estimation system of the described rotational projectile.
前記変換手段により変換された前記三軸の周波数情報から所定の閾値以上のピークを抽出して、隣接するピーク間のピーク間隔を算出し、
前記算出したピーク間隔のうち頻度の高いものを抽出し、前記抽出したピーク間隔に基づいて前記ピーク間隔を特定する
ことを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の回転飛翔体の回転推定システム。 The peak interval specifying means is
Extracting a peak above a predetermined threshold from the triaxial frequency information converted by the conversion means, calculating a peak interval between adjacent peaks,
The rotation flight according to any one of claims 1 to 5, wherein a high frequency of the calculated peak intervals is extracted, and the peak interval is specified based on the extracted peak intervals. Body rotation estimation system.
前記回転飛翔体が球技用ボールであり、
前記出力手段により出力された前記球技用ボールの回転速度及び回転軸位置に基づいて、前記球技用ボールの球種または軌道に関する情報を前記表示手段に表示する
ことを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の回転飛翔体の回転推定システム。 A display means,
The rotating projectile is a ball for ball games,
The information on the ball type or trajectory of the ball game ball is displayed on the display unit based on the rotation speed and the rotation axis position of the ball game ball output by the output unit. The rotation estimation system for a rotating flying object according to any one of claims 6 to 6.
前記回転飛翔体に対して三軸の方向から電磁波を照射し、前記回転飛翔体からの反射電磁波を前記三軸で受信して、前記三軸の反射電磁波の受信強度に関する時系列情報を計測する計測ステップと、
前記計測ステップにより計測された前記三軸の時系列情報を周波数情報にそれぞれ変換する変換ステップと、
前記変換ステップにより変換された前記三軸の周波数情報におけるピーク間隔をそれぞれ特定するピーク間隔特定ステップと、
前記ピーク間隔特定ステップにより特定された前記三軸のピーク間隔に基づいて、前記回転飛翔体の前記三軸の角速度を推定する角速度推定ステップと、
前記角速度推定ステップにより推定された前記三軸の角速度を成分とする角速度ベクトルの大きさを前記回転飛翔体の回転速度として、また、前記角速度ベクトルの方向を前記回転飛翔体の回転軸位置として出力する出力ステップと、
を備えることを特徴とする回転飛翔体の回転推定方法。 A rotation estimation method for estimating a rotation speed and a rotation axis position of a rotating projectile that flies with rotation,
Irradiate the rotating projectile with electromagnetic waves from three directions, receive the reflected electromagnetic waves from the rotating projectile with the three axes, and measure time-series information regarding the reception intensity of the three-axis reflected electromagnetic waves. A measurement step;
A conversion step for converting the three-axis time series information measured by the measurement step into frequency information, respectively.
A peak interval specifying step for specifying each of the peak intervals in the triaxial frequency information converted by the converting step;
An angular velocity estimating step for estimating an angular velocity of the three axes of the rotating projectile based on the peak interval of the three axes specified by the peak interval specifying step;
The magnitude of the angular velocity vector whose component is the angular velocity of the three axes estimated by the angular velocity estimating step is output as the rotational speed of the rotating projectile, and the direction of the angular velocity vector is output as the rotational axis position of the rotating projectile. An output step to
A rotation estimation method for a rotating projectile, comprising:
前記回転飛翔体に対して三軸の方向から電磁波を照射し、前記回転飛翔体からの反射電磁波を前記三軸で受信して、前記三軸の反射電磁波の受信強度に関する時系列情報を計測する計測機能と、
前記計測機能により計測された前記三軸の時系列情報を周波数情報にそれぞれ変換する変換機能と、
前記変換機能により変換された前記三軸の周波数情報におけるピーク間隔をそれぞれ特定するピーク間隔特定機能と、
前記ピーク間隔特定機能により特定された前記三軸のピーク間隔に基づいて、前記回転飛翔体の前記三軸の角速度を推定する角速度推定機能と、
前記角速度推定機能により推定された前記三軸の角速度を成分とする角速度ベクトルの大きさを前記回転飛翔体の回転速度として、また、前記角速度ベクトルの方向を前記回転飛翔体の回転軸位置として出力する出力機能と、
をコンピュータに実現させるための回転飛翔体の回転推定プログラム。
A rotation estimation program for estimating the rotation speed and rotation axis position of a rotating projectile that flies with rotation,
Irradiate the rotating projectile with electromagnetic waves from three directions, receive the reflected electromagnetic waves from the rotating projectile with the three axes, and measure time-series information regarding the reception intensity of the three-axis reflected electromagnetic waves. Measurement function,
A conversion function for converting the three-axis time series information measured by the measurement function into frequency information, and
A peak interval specifying function for specifying each of the peak intervals in the triaxial frequency information converted by the conversion function;
An angular velocity estimation function for estimating an angular velocity of the three axes of the rotating projectile based on the peak interval of the three axes specified by the peak interval specifying function;
The magnitude of the angular velocity vector whose component is the angular velocity of the three axes estimated by the angular velocity estimation function is output as the rotational speed of the rotating projectile, and the direction of the angular velocity vector is output as the rotational axis position of the rotating projectile. Output function to
Rotational projectile rotation estimation program for realizing a computer.
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2013
- 2013-03-19 JP JP2013057300A patent/JP2014182032A/en active Pending
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