JP7123750B2 - Analysis device and analysis system - Google Patents
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Description
特許法第30条第2項適用 日本機械学会シンポジウム:スポーツ工学・ヒューマンダイナミクス2017にて公開Application of Article 30,
本開示は、ボールの回転軸を解析するための技術に関する。 The present disclosure relates to techniques for analyzing the axis of rotation of a ball.
近年、ボールに内蔵されたセンサからの情報を用いることで、投球時の野球ボールの移動軌跡、回転速度、回転軸の方向など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、特開2018-134153号公報(特許文献1)には、投球解析システムが開示されている。 In recent years, there has been known a method of measuring rotational parameters such as the movement trajectory, rotational speed, and direction of the rotational axis of a baseball during pitching by using information from a sensor built into the ball. For example, Japanese Patent Laying-Open No. 2018-134153 (Patent Document 1) discloses a pitch analysis system.
特許文献1に係る投球解析システムは、センサ部及び送信部が内蔵されたボールと、送信部から送信されたセンサ部の検出値を受信して解析する解析装置とを備える。センサ部は、基板と、基板に搭載された加速度センサ、地磁気センサ及びジャイロセンサとを含む。解析装置は、グローバル座標系における基板の初期方向を特定して記憶し、グローバル座標系における基板の逐次変化する方向を算出し、グローバル座標系におけるボールの逐次変化する加速度を算出し、グローバル座標系におけるボールの移動軌跡を算出する。
A pitch analysis system according to
特許文献1では、ジャイロセンサを用いて回転軸の方向を算出することが開示されている。しかし、一般的に、ジャイロセンサはサイズが比較的大きく、ボールに内蔵できるような小型のジャイロセンサでは計測領域が限定される。そのため、野球のように投球時のボールが高速回転する場合には、ジャイロセンサを用いるとサチュレーションによりボールの回転軸の角度を精度よく求めることができない場合がある。 Japanese Patent Laid-Open No. 2002-200002 discloses calculating the direction of a rotation axis using a gyro sensor. However, a gyro sensor is generally relatively large in size, and a small gyro sensor that can be built into a ball has a limited measurement area. Therefore, when the ball rotates at high speed during pitching, such as in baseball, if a gyro sensor is used, it may not be possible to obtain the angle of the rotation axis of the ball with high accuracy due to saturation.
本開示のある局面における目的は、ボールの回転軸の角度をより精度よく算出することが可能な解析装置、および解析システムを提供することである。 An object of one aspect of the present disclosure is to provide an analysis device and an analysis system capable of more accurately calculating the angle of the rotation axis of the ball.
ある実施の形態に従うと、ボールの回転軸を解析するための解析装置が提供される。解析装置は、ボールに内蔵されたセンサ機器により時系列で検出された加速度データおよび地磁気データの入力を受け付ける情報入力部と、加速度データおよび地磁気データに基づいて、ボールの姿勢情報を算出する姿勢算出部と、地磁気データに基づいて、被験者により放たれたボールの回転数を算出する回転数算出部と、姿勢情報と、回転数と、地磁気データと、地磁気データの1階微分値および2階微分値とに基づいて、所定のフィルタを用いて所定方向に対するボールの回転軸の角度を算出する回転軸算出部とを備える。 According to one embodiment, an analysis device is provided for analyzing the axis of rotation of a ball. The analysis device includes an information input unit that receives input of acceleration data and geomagnetism data detected in time series by a sensor device built into the ball, and an attitude calculator that calculates the attitude information of the ball based on the acceleration data and geomagnetism data. a rotation number calculation unit that calculates the number of rotations of the ball released by the subject based on the geomagnetic data; attitude information; the number of rotations; the geomagnetic data; and a rotation axis calculation unit that calculates the angle of the rotation axis of the ball with respect to a predetermined direction using a predetermined filter based on the value.
好ましくは、回転軸算出部は、ボールが放たれたタイミングの前後の所定期間におけるボールの回転軸の角度を算出する。 Preferably, the axis-of-rotation calculator calculates the angle of the axis of rotation of the ball in a predetermined period before and after the timing at which the ball is released.
好ましくは、回転軸算出部は、姿勢情報と、回転数と、地磁気データと、1階微分値と、2階微分値とに基づいて、地磁気データと1階微分値と2階微分値とを観測値とした観測方程式に対して所定のフィルタを適用してボールの回転軸の角度を算出する。 Preferably, the axis-of-rotation calculator calculates the geomagnetic data, the first-order differential value, and the second-order differential value based on the attitude information, the rotation speed, the geomagnetic data, the first-order differential value, and the second-order differential value. A predetermined filter is applied to the observation equation as the observed value to calculate the angle of the rotation axis of the ball.
好ましくは、解析装置は、加速度データに基づいて、所定のフィルタを用いて被験者から放たれたボールの進行方向を算出する方向算出部をさらに備える。所定方向は、方向算出部により算出された進行方向である。 Preferably, the analysis device further includes a direction calculation unit that calculates the traveling direction of the ball released by the subject using a predetermined filter based on the acceleration data. The predetermined direction is the traveling direction calculated by the direction calculator.
好ましくは、方向算出部は、進行方向を規定する回転行列を状態値とした状態方程式、および、ボールが放たれたタイミングの前後の所定期間における加速度データの最大値を観測値とした観測方程式、に対して所定のフィルタを適用して進行方向を規定する回転行列を算出する。 Preferably, the direction calculation unit includes a state equation whose state value is a rotation matrix that defines the direction of travel, and an observation equation whose observation value is the maximum value of acceleration data in a predetermined period before and after the timing at which the ball is released. A rotation matrix that defines the traveling direction is calculated by applying a predetermined filter to .
好ましくは、センサ機器は、低加速度を検出するための低加速度センサと、高加速度を検出するための高加速度センサとを含む。加速度データは、低加速度センサにより検出された低加速度データと、高加速度センサにより検出された高加速度データとを含む。姿勢算出部は、ボールの初期姿勢情報を算出する場合、加速度データとして低加速度データを採用する。 Preferably, the sensor device includes a low acceleration sensor for detecting low accelerations and a high acceleration sensor for detecting high accelerations. The acceleration data includes low acceleration data detected by the low acceleration sensor and high acceleration data detected by the high acceleration sensor. The attitude calculation unit uses low acceleration data as the acceleration data when calculating the initial attitude information of the ball.
好ましくは、所定のフィルタは、拡張カルマンフィルタである。
他の実施の形態に従うと、ボールの回転軸を解析するための解析装置が提供される。解析装置は、ボールに内蔵されたセンサ機器により時系列で検出された加速度データおよび地磁気データの入力を受け付ける情報入力部と、加速度データおよび地磁気データに基づいて、ボールの姿勢情報を算出する姿勢算出部と、地磁気データに基づいて、被験者により放たれたボールの回転数を算出する回転数算出部と、姿勢情報と、回転数と、加速度データと、加速度データの1階微分値および2階微分値とに基づいて、所定のフィルタを用いて所定方向に対するボールの回転軸の角度を算出する回転軸算出部とを備える。
Preferably, the predetermined filter is an extended Kalman filter.
According to another embodiment, an analysis device is provided for analyzing the axis of rotation of a ball. The analysis device includes an information input unit that receives input of acceleration data and geomagnetism data detected in time series by a sensor device built into the ball, and an attitude calculator that calculates the attitude information of the ball based on the acceleration data and geomagnetism data. a rotation number calculation unit that calculates the number of rotations of the ball released by the subject based on geomagnetic data; attitude information; the number of rotations; acceleration data; and a rotation axis calculation unit that calculates the angle of the rotation axis of the ball with respect to a predetermined direction using a predetermined filter based on the value.
好ましくは、回転軸算出部は、姿勢情報と、回転数と、加速度データと、1階微分値と、2階微分値とに基づいて、加速度データと1階微分値と2階微分値とを観測値とした観測方程式に対して所定のフィルタを適用してボールの回転軸の角度を算出する。 Preferably, the rotation axis calculation unit calculates the acceleration data, the first derivative value, and the second derivative value based on the posture information, the rotation speed, the acceleration data, the first derivative value, and the second derivative value. A predetermined filter is applied to the observation equation as the observed value to calculate the angle of the rotation axis of the ball.
さらに他の実施の形態に従う解析システムは、ボールの回転軸を解析するための解析装置と、ボールに内蔵されたセンサ機器とを備える。解析装置は、センサ機器によりに時系列で検出された加速度データおよび地磁気データの入力を受け付ける情報入力部と、加速度データおよび地磁気データに基づいて、ボールの姿勢情報を算出する姿勢算出部と、地磁気データに基づいて、被験者により放たれたボールの回転数を算出する回転数算出部と、地磁気データと、姿勢情報と、回転数と、地磁気データの1階微分値および2階微分値とに基づいて、所定のフィルタを用いて所定方向に対するボールの回転軸の角度を算出する回転軸算出部とを含む。 An analysis system according to still another embodiment includes an analysis device for analyzing the rotation axis of the ball and a sensor device built into the ball. The analysis device includes an information input unit that receives input of acceleration data and geomagnetism data detected in time series by the sensor device, an attitude calculation unit that calculates ball attitude information based on the acceleration data and the geomagnetism data, and a geomagnetism Based on the data, a rotation speed calculation unit that calculates the rotation speed of the ball released by the subject, based on the geomagnetic data, the posture information, the rotation speed, and the first derivative value and the second derivative value of the geomagnetic data and a rotation axis calculator that calculates the angle of the rotation axis of the ball with respect to a predetermined direction using a predetermined filter.
さらに他の実施の形態に従う解析システムは、ボールの回転軸を解析するための解析装置と、ボールに内蔵されたセンサ機器とを備える。解析装置は、ボールに内蔵されたセンサ機器により時系列で検出された加速度データおよび地磁気データの入力を受け付ける情報入力部と、ボールが静止状態のときの加速度データおよび地磁気データに基づいて、ボールの姿勢情報を算出する姿勢算出部と、地磁気データに基づいて、被験者により放たれたボールの回転数を算出する回転数算出部と、姿勢情報と、回転数と、加速度データと、加速度データの1階微分値および2階微分値とに基づいて、所定のフィルタを用いて所定方向に対するボールの回転軸の角度を算出する回転軸算出部とを含む。 An analysis system according to still another embodiment includes an analysis device for analyzing the rotation axis of the ball and a sensor device built into the ball. The analysis device includes an information input unit that receives input of acceleration data and geomagnetism data detected in time series by a sensor device built into the ball, and an analysis device of the ball based on the acceleration data and geomagnetism data when the ball is stationary. a posture calculation unit that calculates posture information; a rotation speed calculation unit that calculates the rotation speed of a ball released by a subject based on geomagnetic data; posture information; rotation speed; acceleration data; and a rotation axis calculation unit that calculates the angle of the rotation axis of the ball with respect to a predetermined direction using a predetermined filter based on the differential value and the second differential value.
本開示によると、ボールの回転軸の角度をより精度よく算出することが可能となる。 According to the present disclosure, it is possible to more accurately calculate the angle of the rotation axis of the ball.
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。
[実施の形態1]
<システムの全体構成>
図1は、実施の形態1に従う解析システム1000の全体構成を説明するための図である。図1を参照して、解析システム1000は、投手である被験者5が投じた野球用のボールの回転軸を解析し、解析結果を表示するためのシステムである。解析システム1000は、解析装置10と、センサ機器20が内蔵されたボール2とを含む。なお、図1では、センサ座標系における互いに直交する3つの軸をx軸、y軸、z軸で表わし、絶対座標系における互いに直交する3つの軸をX軸、Y軸、Z軸で表わしている。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, the same parts are given the same reference numerals. Their names and functions are also the same. Therefore, detailed description thereof will not be repeated.
[Embodiment 1]
<Overall system configuration>
FIG. 1 is a diagram for explaining the overall configuration of
解析装置10は、スマートフォンで構成される。ただし、解析装置10は、種類を問わず任意の装置として実現できる。例えば、解析装置10は、ラップトップPC(personal Computer)、タブレット端末、デスクトップPC等であってもよい。
The
解析装置10は、無線通信方式によりセンサ機器20と通信する。例えば、無線通信方式としては、BLE(Bluetooth(登録商標) low energy)が採用される。ただし、解析装置10は、Bluetooth(登録商標)、無線LAN(local area network)等のその他の無線通信方式を採用してもよい。
The
図2は、実施の形態1に従うボール2の概略構成を説明するための図である。図2(a)は、ボール2の外観を示している。図2(b)は、ボール2の内部の概略構成を示している。
FIG. 2 is a diagram for explaining a schematic configuration of
図2(a)を参照して、ボール2の外観は一般的な硬式球と同等である。ボール2は、革製の外皮を有し、縫い目を視認可能に構成されている。図2(b)を参照して、ボール2は、その中心部にボール2の挙動を検出するためのセンサ機器20を内蔵している。センサ機器20は、ポリカーボネート製のカプセル62およびシリコーンゲル64で固定されており、優れた耐衝撃性を有する。
Referring to FIG. 2(a), the appearance of
再び、図1を参照して、センサ機器20は、センサ座標系(すなわち、ローカル座標系)における加速度および磁場(磁束密度)を検出する。具体的には、センサ機器20は、低加速度用および高加速度用の2つの加速度センサと、地磁気センサとを含む。加速度センサは、互いに直交する3つの軸(x軸,y軸,z軸)方向の加速度を示す加速度データを検出する。地磁気センサは、互いに直交する3つの軸方向の磁場(磁束密度)を示す地磁気データを検出する。地磁気センサには、例えば、MR(Magnet resistive)素子、MI(Magnet impedance)素子、ホール素子等が用いられる。
Again referring to FIG. 1, the
<ハードウェア構成>
(解析装置10)
図3は、実施の形態1に従う解析装置10のハードウェア構成を示すブロック図である。図3を参照して、解析装置10は、主たる構成要素として、CPU(Central Processing Unit)102と、メモリ104と、タッチパネル106と、ボタン108と、ディスプレイ110と、無線通信部112と、通信アンテナ113と、メモリインターフェイス(I/F)114と、スピーカ116と、マイク118と、通信インターフェイス(I/F)120とを含む。また、記録媒体115は、外部の記憶媒体である。
<Hardware configuration>
(Analysis device 10)
FIG. 3 is a block diagram showing the hardware configuration of
CPU102は、メモリ104に記憶されたプログラムを読み出して実行することで、解析装置10の各部の動作を制御する。より詳細にはCPU102は、当該プログラムを実行することによって、後述する解析装置10の処理(ステップ)の各々を実現する。
The
メモリ104は、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read-Only Memory)、フラッシュメモリなどによって実現される。メモリ104は、CPU102によって実行されるプログラム、またはCPU102によって用いられるデータなどを記憶する。
The
タッチパネル106は、表示部としての機能を有するディスプレイ110上に設けられており、抵抗膜方式、静電容量方式などのいずれのタイプであってもよい。ボタン108は、解析装置10の表面に配置されており、ユーザからの指示を受け付けて、CPU102に当該指示を入力する。
The
無線通信部112は、通信アンテナ113を介して移動体通信網に接続し無線通信のための信号を送受信する。これにより、解析装置10は、例えば、LTE(Long Term Evolution)などの移動体通信網を介して所定の外部装置との通信が可能となる。
メモリインターフェイス(I/F)114は、外部の記録媒体115からデータを読み出す。CPU102は、メモリインターフェイス114を介して外部の記録媒体115に格納されているデータを読み出して、当該データをメモリ104に格納する。CPU102は、メモリ104からデータを読み出して、メモリインターフェイス114を介して当該データを外部の記録媒体115に格納する。
A memory interface (I/F) 114 reads data from an
なお、記録媒体115としては、CD(Compact Disc)、DVD(Digital Versatile Disk)、BD(Blu-ray(登録商標) Disc)、USB(Universal Serial Bus)メモリ、メモリカード、FD(Flexible Disk)、ハードディスクなどの不揮発的にプログラムを格納する媒体が挙げられる。
The
スピーカ116は、CPU102からの命令に基づいて音声を出力する。マイク118は、解析装置10に対する発話を受け付ける。
通信インターフェイス(I/F)120は、例えば、解析装置10とセンサ機器20との間でデータを送受信するための通信インターフェイスであり、アダプタやコネクタなどによって実現される。通信方式としては、例えば、BLE、無線LANなどによる無線通信である。
A communication interface (I/F) 120 is, for example, a communication interface for transmitting and receiving data between the
(センサ機器20)
図4は、実施の形態1に従うセンサ機器20のハードウェア構成を示すブロック図である。図4を参照して、センサ機器20は、主たる構成要素として、各種処理を実行するためのCPU202と、CPU202によって実行されるプログラム、データなどを格納するためのメモリ204と、加速度センサ220と、互いに直交する3つの軸方向の磁場を検出する地磁気センサ208と、解析装置10と通信するための通信インターフェイス(I/F)210と、センサ機器20の各種構成要素に電力を供給する蓄電池212とを含む。
(Sensor device 20)
FIG. 4 is a block diagram showing the hardware configuration of
加速度センサ220は、低加速度センサ205と、高加速度センサ206とを含む。低加速度センサ205は、低加速度範囲(例えば、24G未満)を検出するための加速度センサであり、互いに直交する3軸方向の加速度を検出する。高加速度センサ206は、低加速度センサで検出できない高加速度範囲(例えば、24G以上)を検出するための加速度センサであり、互いに直交する3軸方向の加速度を検出する。なお、高加速度センサ206は、低加速度範囲も検出可能であるが、低加速度範囲については高加速度センサ206よりも低加速度センサ205の方が検出精度が高い。
<動作>
図5は、実施の形態1に従う解析装置10の動作を説明するためのフローチャートである。以下の各ステップは、典型的には、解析装置10のCPU102がメモリ104に格納されたプログラムを実行することによって実現される。
<Action>
FIG. 5 is a flowchart for explaining the operation of
解析装置10は、例えば、店舗の店員により操作される。なお、解析装置10は、被験者5自身によって操作される場合であってもよい。なお、解析装置10は、常時、低加速度センサ205ならびに高加速度センサ206の各々により検出された加速度データ、および地磁気センサ208により検出された地磁気データを取得しているものとする。
The
図5を参照して、解析装置10は、地磁気センサ208のキャリブレーションを実行する(ステップS10)。具体的には、店員の指示により被験者5はボール2を回転させる(例えば、ボール2を投げる)。解析装置10は、地磁気センサ208により検出された3軸方向の磁場を順次プロットする。解析装置10は、プロットしたデータ(例えば、18点のデータ)を楕円の方程式を用いて近似し、その楕円の中心点および半径を算出する。次に、解析装置10は、近似した楕円が原点を中心にした真円になるように、地磁気データのキャリブレーションを行なう。これにより、地磁気センサのオフセット誤差と感度誤差が補正される。なお、解析装置10は、その他の公知の方法により地磁気センサ208のキャリブレーションを行なってもよい。
Referring to FIG. 5,
解析装置10は、低加速度センサ205および高加速度センサ206のキャリブレーションを実行する(ステップS12)。具体的には、店員の指示により被験者5はボール2を静止状態にする(例えば、ボール2を地面の上に置く)。解析装置10は、ボール2が静止状態のときに低加速度センサ205および高加速度センサ206の各々によって検出された加速度データを取得する。
解析装置10は、低加速度センサ205により検出された3軸方向の加速度の各々について、所定時間(例えば、1秒間)の平均加速度を算出する。解析装置10は、次の式(1)を用いて、x軸、y軸、z軸の平均加速度acx,acy,aczを合成した3軸の合成加速度Asを算出する。
The
解析装置10は、低加速度センサ205により検出された3軸方向の加速度から、合成加速度Asを1000で割った値を減算することにより低加速度センサ205のバイアス補正を行なう(すなわち、低加速度センサ205のキャリブレーションを行なう)。
高加速度センサ206についても同様にキャリブレーションを行なう。具体的には、解析装置10は、高加速度センサ206により検出された3軸方向の加速度の各々について、所定時間(例えば、1秒間)の平均値を算出し、上記の式(1)を用いて、3軸の合成加速度を算出する。解析装置10は、高加速度センサ206により検出された3軸方向の加速度から、合成加速度を1000で割った値を減算することにより高加速度センサ206のオフセット補正を行なう(すなわち、高加速度センサ206のキャリブレーションを行なう)。
The
解析装置10は、低加速度センサ205および高加速度センサ206のキャリブレーションが終了すると、被験者5に対して投球を促す情報を報知する(ステップS14)。解析装置10は、例えば、“ボールを投げて下さい”等の文言を音声を出力してもよいし、ディスプレイ110に当該文言を表示してもよい。被験者5は、当該報知に従って、ボール2を投げる。
When the calibration of the
解析装置10は、低加速度センサ205により検出された加速度データが閾値J1未満か否かを判断する(ステップS16)。具体的には、解析装置10は、低加速度センサ205により検出された各軸方向の加速度について、当該軸方向の加速度が閾値J1未満か否かを判断する。
The
当該軸方向の加速度が閾値J1未満である場合には(ステップS16においてYES)、解析装置10は、低加速度センサ205により検出された当該軸方向の加速度を後のステップで用いられる加速度として採用する(ステップS18)。当該軸方向の加速度が閾値J1以上である場合には(ステップS16においてNO)、解析装置10は、高加速度センサ206により検出された当該軸方向の加速度を後のステップで用いられる加速度として採用する(ステップS20)。
If the axial acceleration is less than the threshold value J1 (YES in step S16), the
ステップS16~S20の処理について、具体例を挙げて説明する。例えば、低加速度センサ205により検出されたx軸方向およびy軸方向の加速度が閾値J1未満であり、z軸方向の加速度が閾値J1以上であったとする。この場合、解析装置10は、ステップS20よりも後の処理に用いられるx軸方向およびy軸方向の加速度として、低加速度センサ205により検出された加速度を採用し、z軸方向の加速度として、高加速度センサ206により検出された加速度を採用する。このように、閾値J1未満の加速度については、低加速度範囲での検出精度が高い低加速度センサ205により検出された加速度が用いられる。
The processing of steps S16 to S20 will be described with a specific example. For example, assume that the accelerations in the x-axis direction and the y-axis direction detected by the
次に、解析装置10は、ボール2が静止状態のときのボール2の姿勢(すなわち、ボール2の初期姿勢)を算出する(ステップS22)。具体的には、解析装置10は、センサ機器20により検出された加速度データに基づいて、x軸まわりの回転角度を示すロール角φ、y軸まわりの回転角度を示すピッチ角θを算出する。ロール角φは、ボール2が静止状態のときの平均加速度acy,aczを用いて以下の式(2)のように表される。
Next, the
ピッチ角θは、ボール2が静止状態のときの平均加速度acx,acy,aczを用いて以下の式(3)のように表される。
The pitch angle θ is expressed by the following equation (3) using average accelerations acx , a cy and acz when the
なお、このとき、ボール2は静止状態であるため、低加速度センサ205により検出された加速度データが、ロール角φおよびピッチ角θを算出するために用いられる。
Since the
また、解析装置10は、センサ機器20(地磁気センサ208)により検出された地磁気データと、式(2)を用いて算出されたロール角φと、式(3)を用いて算出されたピッチ角θとに基づいて、z軸まわりの回転角度を示すヨー角Ψを算出する。
Further, the
具体的には、解析装置10は、ロール角φおよびピッチ角θにより構築される回転行列を用いて、地磁気センサ208の地磁気データの傾斜誤差を補正する。補正後のx軸、y軸、z軸方向の磁場をそれぞれMxi,Myi,Mziとすると、これらは、補正前のx軸、y軸、z軸方向の磁場をそれぞれ示すMx,My,Mzと、当該回転行列とを用いて、以下の式(4)のように表わされる。
Specifically, the
そして、傾斜誤差を補正した磁場Mxi,Myi,Mziを用いて、ヨー角Ψは以下の式(5)のように表わされる。 Using magnetic fields M xi , M yi , and M zi corrected for tilt errors, the yaw angle Ψ is expressed by the following equation (5).
上記のように、ボール2の静止状態における初期姿勢を示す情報(すなわち、ロール角φ、ピッチ角θおよびヨー角Ψ)が算出される。
As described above, the information indicating the initial posture of the
解析装置10は、ロール角φ、ピッチ角θおよびヨー角Ψを用いて、センサ座標系から絶対座標系への回転行列を算出する(ステップS24)。具体的には、解析装置10は、以下の式(6)を用いて、ボール2が静止状態である場合における、センサ座標系から絶対座標系への回転行列0Riを算出する。
次に、解析装置10は、被験者5がボール2をリリースした(すなわち、ボール2を手から離した)タイミングを検出する(ステップS26)。具体的には、解析装置10は、地磁気データの不完全微分値Dを以下の式(7)を用いて算出する。なお、sはラプラス演算子、nは微分係数を表わしている。不完全微分値Dは、3軸方向の磁場の各々について算出される。
Next, the
解析装置10は、不完全微分値Dが0になる時点をリリースタイミングとして検出する。例えば、解析装置10は、3軸方向の磁場にそれぞれ対応する3つの不完全微分値Dのいずれか1つが0になった時点をリリースタイミングとして検出する。
The
なお、解析装置10は、加速度データを用いてリリースタイミングを検出してもよい。この場合、解析装置10は、高加速度センサ206により検出された加速度データの微分値が閾値J2を越えた時点をリリースタイミングとして検出する。例えば、解析装置10は、3軸方向の加速度にそれぞれ対応する3つの微分値のいずれか1つが閾値J2を越えた時点をリリースタイミングとして検出する。
Note that the
次に、解析装置10は、ボール2の回転軸を解析する対象期間(以下、「解析期間」とも称する。)を設定する(ステップS28)。具体的には、解析装置10は、ボール2がリリースされたタイミングの前後の一定期間をボール2の回転軸の解析期間に設定する。詳細には、解析装置10は、リリースタイミングから規定時間(例えば、100ms)前を、解析開始タイミング(すなわち、解析期間の開始時点)に設定し、リリースタイミングから一定時間(例えば、60ms)経過後を解析終了タイミング(すなわち、解析期間の終了時点)に設定する。
Next, the
解析装置10は、高加速度センサ206により検出された加速度データに拡張カルマンフィルタを適用して、解析期間におけるボール2の進行方向を推定する(ステップS30)。具体的には、解析装置10は、以下のような演算を実行する。
The
解析装置10は、高加速度センサ206により検出された解析期間内におけるx軸、y軸、z軸方向の加速度(センサ座標系)の最大値を入力として、以下の非線形状態方程式を示す式(8)および非線形観測方程式を示す式(9)を解くことにより、x軸、y軸、z軸まわりの回転行列を算出する。
The
tは離散的な時間であるステップを表わしている。式(8)中のxt、F(xt)、wtは、それぞれステップt(時刻t)における状態値、システムの時間遷移に関する線形モデル、システム雑音を表わしている。式(9)中のyt、H(xt)、vtは、それぞれ時刻tにおける観測値、状態空間を観測空間に線形写像する観測モデル、観測雑音を表わしている。式(8)中のxt、F(xt)、yt、H(xt)は、それぞれ式(10)、(11)、(12)、(13)のように表わされる。 t represents a step that is discrete time. x t , F(x t ), and w t in equation (8) represent the state value at step t (time t), the linear model regarding the time transition of the system, and the system noise, respectively. y t , H(x t ), and v t in Equation (9) represent an observation value at time t, an observation model that linearly maps the state space to the observation space, and observation noise, respectively. x t , F(x t ), y t , and H(x t ) in formula (8) are represented by formulas (10), (11), (12), and (13), respectively.
式(10)および式(11)中のXrot,Yrot,Zrotは、それぞれx軸,y軸,z軸まわりの回転行列を示している。式(8)、式(10)、式(11)より、ステップ(t+1)における回転行列Xrot,Yrot,Zrotは、ステップtにおける回転行列Xrot,Yrot,Zrotにシステム雑音を加えたものとなる。ここで、ボール2の加速度は、リリース前後において最大(すなわち、解析期間において加速度が最大)となり、加速度が最大となるときの回転行列で規定される方向が概ねボール2の進行方向を示す。したがって、各軸方向の加速度の最大値を入力として求められる回転行列Xrot,Yrot,Zrotにより規定される方向がボール2の進行方向となる。
X rot , Y rot , and Z rot in equations (10) and (11) denote rotation matrices about the x-axis, y-axis, and z-axis, respectively. From equations (8), (10), and (11), the rotation matrices X rot , Y rot , and Z rot at step (t+1) are obtained by adding the system noise to the rotation matrices X rot , Y rot , and Z rot at step t. It will be added. Here, the acceleration of the
式(12)中のAxmax,Aymax,Azmaxは、それぞれx軸、y軸、z軸方向の加速度(センサ座標系)の最大値を示している。式(13)中のAtは、高加速度センサ206により検出された解析期間内の時刻tにおけるx軸、y軸、z軸方向の加速度Axt,Ayt,Azt(センサ座標系)の合成加速度を示している。合成加速度Atは、加速度Axt,Ayt,Aztの各成分の2乗和の平方根である。
Ax max , Ay max , and Az max in Equation (12) indicate the maximum values of acceleration (sensor coordinate system) in the x-axis, y-axis, and z-axis directions, respectively. A t in equation (13) is the acceleration Ax t , Ay t , Az t (sensor coordinate system) in the x-axis, y-axis, and z-axis directions at time t within the analysis period detected by the
ここで、F(xt)をxtで偏微分したf(xt)を式(14)のように定義し、H(xt)をxtで偏微分したh(xt)を式(15)のように定義する。 Here, f(x t ) obtained by partially differentiating F(x t ) with respect to x t is defined as in equation (14), and h(x t ) obtained by partially differentiating H(x t ) with respect to x t is expressed by the equation Define as in (15).
Iは単位行列を示している。このように定義されたf(xt)およびh(xt)を用いた拡張カルマンフィルタアルゴリズムは以下に示す式(16),(17),(18),(19)で与えられる。 I indicates the identity matrix. The extended Kalman filter algorithm using f(x t ) and h(x t ) defined in this way is given by equations (16), (17), (18) and (19) below.
上記のアルゴリズムは、次ステップの推定値を予測する部分と、得られた観測値を用いて推定値を更新する部分との2つから構成されている。式(16)が前者に当たり、式(17)~(19)が後者に当たる。ある瞬間の値(ここでは、各軸方向の加速度の最大値)を用いて上記のように与えられた式(16)~(19)を繰り返し計算することで、状態値xtが最適値に収束する。すなわち、式(14)で表されるf(xt)および式(15)で表わされるh(xt)に拡張カルマンフィルタを適用することで、時刻tにおける状態値xtの最も確からしい推定値(ここでは、各軸まわりの回転行列で規定されるボール2の進行方向)を算出することができる。
The above algorithm consists of two parts: one for predicting the estimated value of the next step, and the other for updating the estimated value using the obtained observed value. Equation (16) corresponds to the former, and Equations (17) to (19) correspond to the latter. By repeatedly calculating the formulas (16) to (19) given above using an instantaneous value (here, the maximum value of acceleration in each axis direction), the state value x t becomes the optimum value. converge. That is, by applying the extended Kalman filter to f(x t ) represented by Equation (14) and h(x t ) represented by Equation (15), the most probable estimate of state value x t at time t (Here, the traveling direction of the
次に、解析装置10は、地磁気センサ208により検出された解析期間内における地磁気データに基づいて、ボール2の回転数を算出する(ステップS32)。
Next, the
図6は、実施の形態1に従うボール2の回転数の算出方式を説明するための図である。図6を参照して、グラフ602は地磁気データの出力値を示している。例えば、出力値は、x軸方向の磁場である。グラフ604は地磁気データの出力値の差分値を示している。例えば、差分値は、今回の出力値と前回の出力値との差分を示す値である。
FIG. 6 is a diagram for explaining a method of calculating the number of revolutions of
解析装置10は、差分値が0と交差する点(ゼロクロス点)をカウントし、所定カウント分(例えば、3カウント分)を1回転として算出する。グラフ604を参照すると、時刻p1,p2,p3でそれぞれ1回目,2回目,3回目のゼロクロス点がカウントされる。解析装置10は、単位期間(例えば、0.5秒)内にカウントされたゼロクロス点の数から、ボール2の回転数(rpm)を算出する。
The
再び、図5を参照して、解析装置10は、地磁気センサ208により検出された解析期間内における地磁気データに拡張カルマンフィルタを適用して、ボール2の回転軸の角度を算出する(ステップS34)。具体的には、解析装置10は、以下のような演算を実行する。
Again referring to FIG. 5,
解析装置10は、地磁気センサ208により検出された解析期間内におけるx軸、y軸、z軸方向の各磁場成分(センサ座標系)と、各磁場成分の1階微分値と、各磁場成分の2階微分値とを入力として、上記の非線形状態方程式(8)および非線形観測方程式(9)を解くことにより、ボール2の回転軸の角度を算出する。ここでは、式(8)中のxt、F(xt)は以下の式(20)、(21)のように表わされる。
The
ωはボール2の回転数を示しており、ステップS32で算出された回転数に対応する。φa,θaは、それぞれ時刻tにおける絶対座標系でのロール角、ピッチ角である。φs,θs,Ψsは、それぞれ時刻tにおけるセンサ座標系でのロール角、ピッチ角,ヨー角である。また、式(9)中のyt、H(xt)は、それぞれ式(22)、(23)のように表わされる。
ω indicates the rotation speed of the
センサ座標系から絶対座標系への回転行列を示す0Rsは以下の式(24)のように表わされる。なお、回転行列0Rsの初期値は、ボール2が静止状態である場合における、センサ座標系から絶対座標系への回転行列を示すiRsと一致する。すなわち、センサ座標系でのロール角φs、ピッチ角θs、ヨー角Ψsの初期値は、ボール2が静止状態のときのロール角φ、ピッチ角θ、ヨー角Ψと一致する。
0 R s , which indicates the rotation matrix from the sensor coordinate system to the absolute coordinate system, is expressed as in Equation (24) below. Note that the initial value of the rotation matrix 0 R s coincides with i R s representing the rotation matrix from the sensor coordinate system to the absolute coordinate system when the
また、回転軸座標系からセンサ座標系への回転行列を示すSRaは以下の式(25)のように表わされる。 Also, S R a representing the rotation matrix from the rotation axis coordinate system to the sensor coordinate system is represented by the following equation (25).
ステップS30での進行方向の算出と同様に、式(20)~(23)で表されるxt,F(xt),yt,H(xt)を用いて、式(14)~(19)を繰り返し計算することで、解析期間内の時刻tにおける状態値xtの最も確からしい推定値を算出することができる。すなわち、絶対座標系でのボール2の回転軸のロール角φa、ピッチ角θa、センサ座標系でのボールの回転軸のロール角φs、ピッチ角θs、ヨー角Ψsが推定される。なお、式(20)では回転数ωも推定値に含まれているが、上述のように回転数ωはステップS32で算出された回転数を用いればよい。そのため、回転数ωを推定値として採用しない構成であってもよい。
Similar to the calculation of the traveling direction in step S30, using x t , F(x t ), y t , and H(x t ) represented by equations (20) to (23), equations (14) to By repeatedly calculating (19), the most probable estimated value of the state value xt at time t within the analysis period can be calculated. That is, the roll angle φ a and pitch angle θ a of the rotation axis of the
そして、解析装置10は、推定されたロール角φa、ピッチ角θaを用いて水平面(重力方向に垂直な平面)に対するボール2の回転軸の角度θhを算出する。具体的には、解析装置10は、回転軸座標系から絶対座標系への回転行列を示す0Raを以下の式(26)を用いて算出する。
Then, using the estimated roll angle φ a and pitch angle θ a , the
次に、ボール2の回転軸方向を示すベクトルを(px,py,pz)と定義すると、式(27)が成立する。なお、pは定数であり、0Ra
Tはの0Raの転置行列である。
Next, if the vector indicating the rotation axis direction of the
式(27)で求められたベクトル(px,py,pz)を用いて、角度θhは式(28)のように表わされる。 Using the vector (p x , p y , p z ) obtained by equation (27), the angle θ h is expressed by equation (28).
解析装置10は、ステップS36で算出されたボール2の回転軸の角度θhをディスプレイ110に表示する(ステップS36)。
The
図7は、実施の形態1に従うボール2の回転軸の角度の表示例を示す図である。図7を参照して、解析装置10は、回転軸の角度を示す画面502をディスプレイ110に表示する。例えば、画面502には、ボール2の回転軸の角度が23度であることが示されており、ボール2の回転数が1673.4rpmであることが示されている。なお、この23度は、解析期間において算出されたθhの平均値である。
FIG. 7 is a diagram showing a display example of the angle of the rotation axis of
また、解析装置10は、ステップS30で算出されたボール2の進行方向(すなわち、各軸方向の回転行列)と、式(26)に示される回転軸座標系から絶対座標系への回転行列0Raとを用いて、進行方向に対する回転軸の角度Ψhを算出することもできる。まず、ボール2の進行方向を規定する回転行列Xrot,Yrot,Zrotを用いると、進行方向座標系から絶対座標系への回転行列0Rtrは、以下の式(29)のように表わされる。
Further, the
次に、回転軸座標系から進行方向座標系への回転行列trRaは、回転行列0Rtrの転置行列0Rtr Tと、回転行列0Raとを用いて以下の式(30)のように表わされる。 Next, the rotation matrix tr R a from the rotation axis coordinate system to the traveling direction coordinate system is obtained by the following equation (30) using the transposed matrix 0 R tr T of the rotation matrix 0 R tr and the rotation matrix 0 R a . is represented as
式(30)で求められた回転行列trRaの成分を用いて、進行方向座標系から見た回転軸の方位角である角度Ψhは式(31)のように表わされる。 Using the components of the rotation matrix tr R a obtained by Equation (30), the angle Ψ h , which is the azimuth angle of the rotation axis viewed from the traveling direction coordinate system, is expressed by Equation (31).
解析装置10は、ボール2の回転軸の角度Ψhをディスプレイ110に表示してもよい。
The
<機能構成>
図8は、実施の形態1に従う解析装置10の機能構成例を示すブロック図である。図8を参照して、解析装置10は、情報入力部302と、姿勢算出部304と、解析期間設定部306と、方向算出部308と、回転数算出部310と、回転軸算出部312と、表示制御部314とを含む。これらの機能構成は、基本的には、解析装置10のCPU102がメモリ104に格納されたプログラムを実行し、解析装置10の構成要素へ指令を与えることなどによって実現される。
<Functional configuration>
FIG. 8 is a block diagram showing a functional configuration example of
情報入力部302は、センサ機器20により時系列で検出された加速度データおよび地磁気データの入力を受け付ける。本実施の形態では、センサ機器20がボール2の中心部に内蔵されている。そのため、情報入力部302は、ボール2の加速度データおよび地磁気データの入力を受け付ける。典型的には、情報入力部302は、通信インターフェイス120を介して、センサ機器20から送信される加速度データおよび地磁気データを受信する。
The information input unit 302 receives input of acceleration data and geomagnetism data detected by the
姿勢算出部304は、加速度データおよび地磁気データに基づいて、ボール2の姿勢情報を算出する。典型的には、姿勢算出部304は、ボール2が静止状態である場合におけるセンサ座標系から絶対座標系への回転行列0Rsを、ボール2の初期姿勢情報として算出する。この場合、姿勢算出部304は、ボール2の初期姿勢情報を算出する場合、低加速度センサ205により検出された加速度データを、処理に用いる加速度データとして採用する。
The
具体的には、姿勢算出部304は、ボール2が静止状態のときの加速度データを用いて、センサ座標系におけるロール角φ、ピッチ角θを算出する。姿勢算出部304は、算出されたロール角φ、ピッチ角θと、ボール2が静止状態のときの地磁気データとを用いて、ヨー角Ψ(センサ座標系)を算出する。姿勢算出部304は、算出されたロール角φ、ピッチ角θおよびヨー角Ψと式(6)とを用いて、センサ座標系から絶対座標系への回転行列0Rsを算出する。
Specifically, the
解析期間設定部306は、ボールが放たれたタイミングの前後の所定期間を解析期間に設定する。具体的には、解析期間設定部306は、地磁気データの変化量または加速度データの変化量に基づいて、被験者5からボール2が放たれたタイミング(リリースタイミング)を検出する。例えば、解析期間設定部306は、式(7)を用いて地磁気データの変化量を示す不完全微分値Dが0になった時点をリリースタイミングとして検出する。または、解析期間設定部306は、高加速度センサ206により検出された加速度データの微分値が閾値J2を越えた時点をリリースタイミングとして検出する。
The analysis
そして、解析期間設定部306は、リリースタイミングから規定時間(例えば、100ms)前を、解析開始タイミング(すなわち、解析期間の開始時点)に設定し、リリースタイミングから一定時間(例えば、60ms)経過後を解析終了タイミング(すなわち、解析期間の終了時点)に設定する。
Then, the analysis
方向算出部308は、加速度データに基づいて、拡張カルマンフィルタを用いて被験者5から放たれたボール2の進行方向を算出する。具体的には、方向算出部308は、ボール2の進行方向を規定する回転行列を状態値とした状態方程式、および、解析期間内における加速度データの最大値を観測値とした観測方程式、に対して拡張カルマンフィルタを適用してボール2の進行方向を規定する回転行列を算出する。より詳細には、方向算出部308は、上述の式(8)~(19)を用いた演算を実行することで、ボール2の進行方向を規定する各軸まわりの回転行列Xrot,Yrot,Zrotを算出する。
The
回転数算出部310は、解析期間内における地磁気データに基づいて、ボール2の回転数を算出する。具体的には、回転数算出部310は、図6で説明したように、地磁気データの出力値の差分値がゼロになる数(ゼロクロス点の数)をカウントし、単位期間内におけるゼロクロス点のカウント数からボール2の回転数を算出する。
The number-of-
回転軸算出部312は、姿勢算出部304により算出された姿勢情報と、回転数算出部310により算出されたボール2の回転数と、地磁気センサ208により検出された解析期間内における地磁気データ(すなわち、x軸、y軸、z軸方向の磁場)と、地磁気データの1階微分値と、地磁気データの2階微分値とに基づいて、拡張カルマンフィルタを用いて、所定方向に対するボール2の回転軸の角度を算出(推定)する。
The rotation
具体的には、回転軸算出部312は、姿勢情報と、回転数と、地磁気データと、地磁気データの1階微分値および2階微分値とに基づいて、ボール2の回転軸の角度(例えば、ロールφa,ピッチ角θa)を状態値とした状態方程式、および、地磁気データと、地磁気データの1階微分値および2階微分値とを観測値とした観測方程式、に対して拡張カルマンフィルタを適用して水平面に対するボール2の回転軸の角度θhを算出する。より詳細には、回転軸算出部312は、上述の式(8),(9),(14)~(28)を用いた演算を実行することで角度θhを算出する。
Specifically, the rotation
他の局面では、回転軸算出部312は、各軸まわりの回転行列Xrot,Yrot,Zrotと、回転軸座標系から絶対座標系への回転行列0Raとに基づいて、進行方向に対するボール2の回転軸の角度Ψhを算出する。より詳細には、回転軸算出部312は、上述の式(8),(9),(14)~(26),(29)~(31)を用いた演算を実行することで、進行方向に対するボール2の回転軸の方位角を示す角度Ψhを算出する。
In another aspect, rotation
表示制御部314は、回転軸算出部312により算出されたボール2の回転軸の角度(例えば、角度θh,Ψh)をディスプレイ110に表示する。表示制御部314は、回転数算出部310により算出されたボール2の回転数をディスプレイ110に表示してもよい。例えば、表示制御部314は、図7に示すような画面502を表示する。
The
<利点>
実施の形態1によると、加速度データおよび地磁気データを用いてボールの回転軸の角度を算出することができる。そのため、ジャイロセンサのようにサチュレーションすることがなく、ボールの回転軸の角度をより精度よく算出することができる。
<Advantages>
According to
なお、センサ機器および端末装置(例えば、スマートフォン等)の両方に地磁気センサを内蔵して計測する構成も知られている。一般的に、地磁気センサの性能には個体差が存在するため、キャリブレーション等を実施する必要がある。ここで、端末装置に内蔵された地磁気センサとボールに内蔵された地磁気センサとを併用した場合、各地磁気センサの感度が異なるためパフォーマンスが低下する。例えば、感度が低い地磁気センサと、感度が高い地磁気センサとを組み合わせると低い方の性能に依存する。また、使用場所が異なる(例えば、近距離であったとしても同一場所でない)場合には,検出する誤差要素(例えば、伏角、感度等の絶対座標系の磁場)が異なるため、精度が低下する。 Note that there is also known a configuration in which both a sensor device and a terminal device (for example, a smartphone, etc.) incorporate a geomagnetic sensor for measurement. In general, there are individual differences in the performance of geomagnetic sensors, so it is necessary to perform calibration or the like. Here, when the geomagnetic sensor built in the terminal device and the geomagnetic sensor built in the ball are used in combination, the performance deteriorates because the sensitivity of each magnetic sensor is different. For example, combining a geomagnetic sensor with low sensitivity and a geomagnetic sensor with high sensitivity depends on the performance of the lower one. In addition, when the place of use is different (for example, even if it is a short distance, it is not the same place), the error elements to be detected (for example, the magnetic field of the absolute coordinate system such as inclination, sensitivity, etc.) are different, so the accuracy is reduced. .
したがって、ボールに内蔵された地磁気センサのパフォーマンスを最大限に発揮するためには、本実施の形態のように、キャリブレーションを行なった後に、絶対座標系における磁場情報をボールに内蔵された地磁気センサのみを用いて回転軸を算出することが好ましい。
[実施の形態2]
実施の形態1では、地磁気データを用いて回転軸の角度を算出する構成について説明した。実施の形態2では、加速度データを用いて回転軸の角度を算出する構成について説明する。実施の形態2の<全体構成>および<ハードウェア構成>については、実施の形態1のそれと同様であるため、その詳細な説明は繰り返さない。
Therefore, in order to maximize the performance of the geomagnetic sensor built into the ball, after performing calibration as in this embodiment, magnetic field information in the absolute coordinate system is obtained from the geomagnetic sensor built into the ball. It is preferable to calculate the axis of rotation using only .
[Embodiment 2]
In the first embodiment, the configuration for calculating the angle of the rotation axis using geomagnetic data has been described. In a second embodiment, a configuration for calculating the angle of the rotation axis using acceleration data will be described. <Overall configuration> and <hardware configuration> of the second embodiment are the same as those of the first embodiment, and thus detailed description thereof will not be repeated.
<動作>
図9は、実施の形態2に従う解析装置10の動作を説明するためのフローチャートである。以下の各ステップは、典型的には、実施の形態2に従う解析装置10のCPU102がメモリ104に格納されたプログラムを実行することによって実現される。
<Action>
FIG. 9 is a flowchart for explaining the operation of
図9を参照して、ステップS12~ステップS32の処理は、図5において説明した通りである。ここで、図9では、図5中のステップS10が省略されている。これは、実施の形態2では、加速度データを用いて回転軸の角度を算出するため、地磁気センサ208のキャリブレーションを実行しなくても、回転軸の角度の精度に対して大きな影響を与えないと考えられるためである。ただし、実施の形態2でも、実施の形態1と同様に、地磁気センサ208のキャリブレーションを実行してもよい。
Referring to FIG. 9, the processing of steps S12 to S32 is as explained in FIG. Here, in FIG. 9, step S10 in FIG. 5 is omitted. In the second embodiment, since the angle of the rotation axis is calculated using the acceleration data, even if the
実施の形態2に従う解析装置10は、加速度センサ220により検出された解析期間内における加速度データに拡張カルマンフィルタを適用して、ボール2の回転軸の角度を算出する(ステップS52)。具体的には、解析装置10は、以下のような演算を実行する。
解析装置10は、高加速度センサ206により検出された解析期間内におけるx軸、y軸、z軸方向の各加速度成分と、各加速度成分の1階微分値と、各加速度成分の2階微分値とを入力として、上記の非線形状態方程式(8)および非線形観測方程式(9)を解くことにより、ボール2の回転軸の角度を算出する。ここでは、式(8)中のxt、F(xt)は上記の式(20)、(21)のように表わされる。また、式(9)中のyt、H(xt)は、以下の式(32)、(33)のように表わされる。
The
なお、センサ座標系から絶対座標系への回転行列を示す0Rsは上記の式(24)のように表わされ、回転軸座標系からセンサ座標系への回転行列を示すSRaは上記の式(25)のように表わされる。 Note that 0 R s indicating the rotation matrix from the sensor coordinate system to the absolute coordinate system is represented by the above equation (24), and S R a indicating the rotation matrix from the rotation axis coordinate system to the sensor coordinate system is It is represented by the above equation (25).
ステップS30での進行方向の算出と同様に、式(20),(21)で表されるxt,F(xt)および式(32),(33)で表わされるyt,H(xt)を用いて、式(14)~(19)を繰り返し計算することで、時刻tにおける状態値xtの最も確からしい推定値を算出することができる。すなわち、絶対座標系でのボール2の回転軸のロール角φa、ピッチ角θaと、センサ座標系でのボールの回転軸のロール角φs、ピッチ角θs、ヨー角Ψsとが推定される。
Similar to the calculation of the traveling direction in step S30, x t , F(x t ) represented by equations (20) and (21) and y t , H(x ) represented by equations (32) and (33) t ), the most probable estimate of the state value x t at time t can be calculated by repeatedly calculating equations (14)-(19). That is, the roll angle φ a and pitch angle θ a of the rotation axis of the
そして、解析装置10は、推定されたロール角φa、ピッチ角θaを用いて水平面(重力方向に垂直な平面)に対するボール2の回転軸の角度θhを算出する。具体的には、解析装置10は、上述の式(26)~(28)を用いた演算を実行する。また、解析装置10は、ステップS30で算出されたボール2の進行方向(すなわち、各軸方向の回転行列)と、式(26)に示される回転軸座標系から絶対座標系への回転行列0Raとを用いて、進行方向に対する回転軸の角度Ψhを算出することもできる。この場合、解析装置10は、上述の式(29)~(31)を用いた演算を実行する。
Then, using the estimated roll angle φ a and pitch angle θ a , the
解析装置10は、ステップS52で算出されたボール2の回転軸の角度(例えば、角度θh,Ψh)をディスプレイ110に表示して(ステップS54)、処理を終了する。
The
<機能構成>
図10は、実施の形態2に従う解析装置10Aの機能構成例を示すブロック図である。図10を参照して、解析装置10Aは、図8中の解析装置10における回転軸算出部312を、回転軸算出部312Aに置き換えたものである。その他の機能構成については、解析装置10と同様であるため、その詳細な説明は繰り返さない。
<Functional configuration>
FIG. 10 is a block diagram showing a functional configuration example of
回転軸算出部312Aは、姿勢算出部304により算出された姿勢情報と、回転数算出部310により算出されたボール2の回転数と、加速度センサ220により検出された解析期間内におけるx軸、y軸、z軸方向の加速度(センサ座標系)と、加速度の1階微分値と、加速度の2階微分値とに基づいて、拡張カルマンフィルタを用いて、所定方向に対するボール2の回転軸の角度を算出(推定)する。
The rotation
具体的には、回転軸算出部312Aは、姿勢情報と、回転数と、加速度データと、加速度データの1階微分値および2階微分値とに基づいて、ボール2の回転軸の角度(例えば、ロールφa,ピッチ角θa)を状態値とした状態方程式、および、加速度データと、加速度データの1階微分値および2階微分値とを観測値とした観測方程式、に対して拡張カルマンフィルタを適用して、水平面に対するボール2の回転軸の角度θhおよび進行方向に対する回転軸の角度Ψhを算出する。より詳細には、回転軸算出部312Aは、上述の式(8),(9),(14)~(21),(24)~(33)を用いた演算を実行することで、角度θhおよび角度Ψhを算出する。
Specifically, the rotation
<利点>
実施の形態2によると、地磁気データを用いずに加速度データを用いてボール2の回転軸の角度を算出する。そのため、磁場の影響を受け易い場所であっても、精度よくボール2の回転軸の角度を算出することができる。
<Advantages>
According to the second embodiment, the angle of the rotation axis of the
<その他の実施の形態>
(1)上述した実施の形態に係る解析システム1000では、ボール2が野球用のボールである構成を例に挙げて説明したが、当該構成に限られない。例えば、ソフトボール用のボールであっても同様に適用可能である。
<Other embodiments>
(1) In the
(2)上述した実施の形態において、コンピュータを機能させて、上述のフローチャートで説明したような制御を実行させるプログラムを提供することもできる。このようなプログラムは、コンピュータに付属するフレキシブルディスク、CD-ROM(Compact Disk Read Only Memory)、ROM、RAMおよびメモリカードなどの一時的でないコンピュータ読取り可能な記録媒体にて記録させて、プログラム製品として提供することもできる。あるいは、コンピュータに内蔵するハードディスクなどの記録媒体にて記録させて、プログラムを提供することもできる。また、ネットワークを介したダウンロードによって、プログラムを提供することもできる。 (2) In the above-described embodiment, it is also possible to provide a program that causes a computer to function and execute the control described in the flowchart above. Such a program is recorded on a non-temporary computer-readable recording medium such as a flexible disk attached to a computer, CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory), ROM, RAM and memory card as a program product. can also be provided. Alternatively, the program can be provided by recording it in a recording medium such as a hard disk built into the computer. The program can also be provided by downloading via a network.
プログラムは、コンピュータのオペレーティングシステム(OS)の一部として提供されるプログラムモジュールのうち、必要なモジュールを所定のタイミングで呼出して処理を実行させるものであってもよい。その場合、プログラム自体には上記モジュールが含まれずOSと協働して処理が実行される。このようなモジュールを含まないプログラムも、本実施の形態にかかるプログラムに含まれ得る。 The program may call necessary modules at a predetermined timing among program modules provided as part of the operating system (OS) of the computer to execute processing. In that case, the program itself does not include the above module, and the process is executed in cooperation with the OS. Programs that do not include such modules may also be included in the programs according to the present embodiment.
また、本実施の形態にかかるプログラムは他のプログラムの一部に組込まれて提供されるものであってもよい。その場合にも、プログラム自体には上記他のプログラムに含まれるモジュールが含まれず、他のプログラムと協働して処理が実行される。このような他のプログラムに組込まれたプログラムも、本実施の形態にかかるプログラムに含まれ得る。 Also, the program according to the present embodiment may be provided by being incorporated into a part of another program. Even in that case, the program itself does not include the modules included in the other program, and the processing is executed in cooperation with the other program. A program incorporated in such other program can also be included in the program according to the present embodiment.
(3)上述の実施の形態として例示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能である。 (3) The configuration illustrated as the above embodiment is an example of the configuration of the present invention, and it is possible to combine it with another known technique, and part of it can be used without departing from the scope of the present invention. It is also possible to change and configure such as omitting.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be considered that the embodiments disclosed this time are illustrative in all respects and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the scope of the claims rather than the above description, and is intended to include all modifications within the scope and meaning equivalent to the scope of the claims.
2 ボール、5 被験者、10,10A 解析装置、20 センサ機器、62 カプセル、64 シリコーンゲル、102,202 CPU、104,204 メモリ、106 タッチパネル、108 ボタン、110 ディスプレイ、112 無線通信部、113 通信アンテナ、114 メモリインターフェイス、115 記録媒体、116 スピーカ、118 マイク、120 通信インターフェイス、205 低加速度センサ、206 高加速度センサ、208 地磁気センサ、212 蓄電池、220 加速度センサ、302 情報入力部、304 回転行列生成部、306 解析期間設定部、308 方向算出部、310 回転数算出部、312,312A 回転軸算出部、314 表示制御部、1000 解析システム。 2 ball, 5 test subject, 10, 10A analyzer, 20 sensor device, 62 capsule, 64 silicone gel, 102,202 CPU, 104,204 memory, 106 touch panel, 108 button, 110 display, 112 wireless communication unit, 113 communication antenna , 114 memory interface, 115 recording medium, 116 speaker, 118 microphone, 120 communication interface, 205 low acceleration sensor, 206 high acceleration sensor, 208 geomagnetic sensor, 212 storage battery, 220 acceleration sensor, 302 information input unit, 304 rotation matrix generation unit , 306 analysis period setting unit, 308 direction calculation unit, 310 rotation speed calculation unit, 312, 312A rotation axis calculation unit, 314 display control unit, 1000 analysis system.
Claims (11)
前記ボールに内蔵されたセンサ機器により時系列で検出された加速度データおよび地磁気データの入力を受け付ける情報入力部と、
前記加速度データおよび前記地磁気データに基づいて、前記ボールの姿勢情報を算出する姿勢算出部と、
前記地磁気データに基づいて、被験者により放たれた前記ボールの回転数を算出する回転数算出部と、
前記姿勢情報と、前記回転数と、前記地磁気データと、前記地磁気データの1階微分値および2階微分値とに基づいて、所定のフィルタを用いて所定方向に対する前記ボールの回転軸の角度を算出する回転軸算出部とを備える、解析装置。 An analysis device for analyzing a rotation axis of a ball,
an information input unit that receives input of acceleration data and geomagnetic data detected in time series by a sensor device built into the ball;
an attitude calculation unit that calculates attitude information of the ball based on the acceleration data and the geomagnetism data;
a rotational speed calculation unit that calculates the rotational speed of the ball released by the subject based on the geomagnetic data;
Based on the attitude information, the number of rotations, the geomagnetic data, and the first and second differential values of the geomagnetic data, a predetermined filter is used to determine the angle of the rotation axis of the ball with respect to a predetermined direction. and an axis-of-rotation calculator for calculating.
前記所定方向は、前記方向算出部により算出された前記進行方向である、請求項1~3のいずれか1項に記載の解析装置。 further comprising a direction calculation unit that calculates a traveling direction of the ball released from the subject using the predetermined filter based on the acceleration data;
The analysis device according to any one of claims 1 to 3, wherein the predetermined direction is the traveling direction calculated by the direction calculation unit.
前記加速度データは、前記低加速度センサにより検出された低加速度データと、前記高加速度センサにより検出された高加速度データとを含み、
前記姿勢算出部は、前記ボールの初期姿勢情報を算出する場合、前記加速度データとして前記低加速度データを採用する、請求項1~5のいずれか1項に記載の解析装置。 The sensor device includes a low acceleration sensor for detecting low acceleration and a high acceleration sensor for detecting high acceleration,
The acceleration data includes low acceleration data detected by the low acceleration sensor and high acceleration data detected by the high acceleration sensor,
The analysis device according to any one of claims 1 to 5, wherein the attitude calculation unit adopts the low acceleration data as the acceleration data when calculating the initial attitude information of the ball.
前記ボールに内蔵されたセンサ機器により時系列で検出された加速度データおよび地磁気データの入力を受け付ける情報入力部と、
前記加速度データおよび前記地磁気データに基づいて、前記ボールの姿勢情報を算出する姿勢算出部と、
前記地磁気データに基づいて、被験者により放たれた前記ボールの回転数を算出する回転数算出部と、
前記姿勢情報と、前記回転数と、前記加速度データと、前記加速度データの1階微分値および2階微分値とに基づいて、所定のフィルタを用いて所定方向に対する前記ボールの回転軸の角度を算出する回転軸算出部とを備える、解析装置。 An analysis device for analyzing a rotation axis of a ball,
an information input unit that receives input of acceleration data and geomagnetic data detected in time series by a sensor device built into the ball;
an attitude calculation unit that calculates attitude information of the ball based on the acceleration data and the geomagnetism data;
a rotational speed calculation unit that calculates the rotational speed of the ball released by the subject based on the geomagnetic data;
Based on the attitude information, the number of rotations, the acceleration data, and the first and second derivative values of the acceleration data, a predetermined filter is used to determine the angle of the rotation axis of the ball with respect to a predetermined direction. and an axis-of-rotation calculator for calculating.
前記ボールに内蔵されたセンサ機器とを備え、
前記解析装置は、
前記センサ機器によりに時系列で検出された加速度データおよび地磁気データの入力を受け付ける情報入力部と、
前記加速度データおよび前記地磁気データに基づいて、前記ボールの姿勢情報を算出する姿勢算出部と、
前記地磁気データに基づいて、被験者により放たれた前記ボールの回転数を算出する回転数算出部と、
前記姿勢情報と、前記回転数と、前記地磁気データと、前記地磁気データの1階微分値および2階微分値とに基づいて、所定のフィルタを用いて所定方向に対する前記ボールの回転軸の角度を算出する回転軸算出部とを含む、解析システム。 an analysis device for analyzing the rotation axis of the ball;
and a sensor device built into the ball,
The analysis device is
an information input unit that receives input of acceleration data and geomagnetic data detected in time series by the sensor device;
an attitude calculation unit that calculates attitude information of the ball based on the acceleration data and the geomagnetism data;
a rotational speed calculation unit that calculates the rotational speed of the ball released by the subject based on the geomagnetic data;
Based on the attitude information, the number of rotations, the geomagnetic data, and the first and second differential values of the geomagnetic data, a predetermined filter is used to determine the angle of the rotation axis of the ball with respect to a predetermined direction. An analysis system, comprising: a rotational axis calculator for calculating.
前記ボールに内蔵されたセンサ機器とを備え、
前記解析装置は、
前記ボールに内蔵されたセンサ機器により時系列で検出された加速度データおよび地磁気データの入力を受け付ける情報入力部と、
前記加速度データおよび前記地磁気データに基づいて、前記ボールの姿勢情報を算出する姿勢算出部と、
前記地磁気データに基づいて、被験者により放たれた前記ボールの回転数を算出する回転数算出部と、
前記姿勢情報と、前記回転数と、前記加速度データと、前記加速度データの1階微分値および2階微分値とに基づいて、所定のフィルタを用いて所定方向に対する前記ボールの回転軸の角度を算出する回転軸算出部とを含む、解析システム。 an analysis device for analyzing the rotation axis of the ball;
and a sensor device built into the ball,
The analysis device is
an information input unit that receives input of acceleration data and geomagnetic data detected in time series by a sensor device built into the ball;
an attitude calculation unit that calculates attitude information of the ball based on the acceleration data and the geomagnetism data;
a rotational speed calculation unit that calculates the rotational speed of the ball released by the subject based on the geomagnetic data;
Based on the posture information, the number of rotations, the acceleration data, and the first and second derivative values of the acceleration data, a predetermined filter is used to determine the angle of the rotation axis of the ball with respect to a predetermined direction. An analysis system, comprising: a rotational axis calculator for calculating.
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